okl mt 12-2007 pomocnicze.qxd

kalendarium 4str 2k.qxd
11/16/2007
11:14 AM
cz. 45
WIATRAK
ENERGIA ODNAWIALNA
Piotr Kawalerowicz
Jedną z najbardziej ludzkich, spośród wielu
charakterystycznych dla człowieka cech, jest
ciekawość. W połączeniu z uporem, pracowitością i dociekliwością często była źródłem odkryć – zarówno tych popychających cywilizację do przodu, jak i tych, które na lata pogrążały ją w mrokach. Jaka jest historia wynalazków i odkryć, skąd się brały, kto i gdzie ich
dokonywał, jaki był ich dalszy los i wpływ na
cywilizacje?
WIATRAK
42
Wiatr jako źródło energii i napędu wykorzystywano już w starożytności. Jednym z pierwszych sposobów jego wykorzystania był żagiel, za pomocą którego napędzano statki. Z czasem to tak niezwykle
użyteczne źródło energii człowiek nauczył się wykorzystywać również na lądzie. Pierwsze silniki wiatrowe – wiatraki – pojawiły się ok. 200 lat przed naszą
erą w krajach Środkowego Wschodu (Persji) oraz
w Chinach. W roku 250 dotarły na tereny Imperium
Rzymskiego. Wiatraki szybko znalazły szerokie i różnorodne zastosowanie: wykorzystywano je do nawadniania pól, z powodzeniem stosowano je również jako
napęd żaren mielących zboże. Pierwsze bardziej zaawansowane konstrukcje wiatraków powstały najprawdopodobniej w Afganistanie ok. VII w. Miały one
długą oś pionową, na której zamocowane były wsporniki (zwykle od 6 do 12 szt.), na nich rozpostarty był
materiał działający jak żagiel. Jednak takie mechanizmy wciąż nie były dostatecznie wydajne. Sytuacja
zmieniła się, gdy odkryto, że moc urządzenia można
zwiększyć poprzez zamocowanie żagli lub łopatek do
poziomego wału, który ustawiony będzie np. na obrotowej wieży.
W Europie wiatraki pojawiły się ok. VIII w. Około XII
w. na terenach Belgii i Francji
pojawiły się, popularne na ziemiach polskich (od XIV w),
niewielkie wiatraki tzw. „koźlaki”. Nieco później powstają
duże, 4skrzydłowe konstrukcje
wieżyczkowe, w których budowie szczególnie wyspecjalizowali się Holendrzy – stąd
nazwa „holender”.
Wraz z pojawianiem się
nowych dziedzin wiedzy i nowych potrzeb energia czerpa-
Page 42
Australopitek i Homo habilis –
3 000 000 lat p.n.e.
człowiek pierwotny
Homo erectus – człowiek wy- 2 000 000–1 500 000 lat p.n.e.
prostowany
Homo sapiens – człowiek ro- 350 000–250 000 lat p.n.e.
zumny
Człowiek z Cromagnon ok. 10 000 lat p.n.e.
Pierwsze wyraźne przejawy
ok. 8 000 lat p.n.e.
tzw. kultury rolnej – uprawy, co
pociąga za sobą początki osiadłego trybu życia (Mezopotamia,
Azja Wschodnia, Meksyk, Peru).
Pojawia się: pismo, koło, żagiel, w IV tysiącleciu p.n.e.
wytop metali z rud
W Persji do mielenia ziarna
200 r. p.n.e.
używano energii wiatru (silnika
wiatrowego).
p.n.e. /n.e.
Tak najprawdopodobniej
wyglądały
pierwsze,
konstruowane
w Persji
wiatraki
o osi pionowej.
W Persji do napędzania młynów oraz pompowania wody
stosowano wiatraki. Zbudowane były z prostej wieżyczki z łopatkami zamocowanymi na pionowej osi.
Na Cejlonie świadomie używano energii wiatru (podmuchu)
w procesie wytopu rud metali.
W Europie do mielenia ziarna
zaczęto stosować wiatraki. Typowy europejski wiatrak miał
4 ramiona (żagle), które obracały się dookoła poziomej osi.
600 r.
700 r.
1100 r.
Tzw. „koźlak”, zbudowany w konstrukcji słupowo-szkieletowej. Osadzone na dębowym wale skrzydła wiatraka opatrzone zostały łupanymi z drewna „piórami”, zdejmowanymi lub
dokładanymi w zależności od siły wiatru.
W Europie skonstruowano
i wprowadzono do użycia wiatrak „pocztowy” o poziomej osi.
Armia Czyngis-chana sprowadza Persów do Chin, aby tam
budowali wiatraki dla irrygacji
(nawadniania) pól.
W Europie zbudowano wiatraki
z ruchomą kopułą. Aby ustawić
wiatrak do kierunku wiatru, obracało się tylko część konstrukcji.
1200 r.
1200 r.
ok. 1300 r.
kalendarium 4str 2k.qxd
ok. 1300 r.
1300 r.
1500 r.
V 1519 r.
1600 r.
1600 r.
1626 r.
1693 r.
ok. 1700 r.
ok. 1700 r.
1745 r.
1759 r.
1784 r.
ok. 1800 r.
11/16/2007
11:14 AM
Page 43
W zachodniej Europie pojawiają się pierwsze wiatraki o poziomej
osi.
W Niderlandach wiatraki są używane do osuszania pól, we Francji
do nawadniania. Dzięki wprowadzeniu udoskonaleń w budowie
skrzydła wiatraka osiągają one większą szybkość, co pozwala na
zwiększenie wydajności.
W Hiszpanii używa się wiatraków wieżowych z żaglami o kształcie
trójkątnym.
Umiera geniusz nieskrępowanej myśli – Leonardo da Vinci, pozostawiając po sobie ok. 7000 stron
notatek zawierających pomysły
Wiatraki przyczyniają się do odHiszpański wiatrak El
i wynalazki.
wodnienia terenów – zmieniają obMolino Zabala z ośmioW Niderlandach są stosowane
szary podmokłe w pola uprawne.
ma żaglami.
specjalne wiatraki do drenażu,
przepompowujące wodę z obszarów depresji (poniżej
poziomu morza) do systemu grobli.
W czasach Reformacji – w Holandii protestanci używali
skrzydeł wiatraków jako znaków określających miejsca
bezpieczne dla katolików.
Holendrzy kupują New Amsterdam (dawna nazwa wyspy
Manhattan, USA) i sprowadzają wiatraki do Ameryki.
Zgodnie z holenderskim prawem każdy wiatrak musi mieć
własne imię.
Francuscy osadnicy sprowadzają młyny wiatrowe
do Kanady.
W Niderlandach i Anglii w użyciu jest po 10 000 wiatraDodatkowy mały wiatrak był mocoków.
wany z tyłu na obudowie wiatraka.
W Anglii wynaleziono tzw. „Fantail”. Patent na ten wynaJego zadaniem było automatyczne
lazek uzyskał Edmund Lee.
ustawianie skrzydeł wiatraka w opW Anglii odkryto, że skręcenie łopaty wiatraka o kąt = 20
tymalnej pozycji do wiatru.
stopni pozwala uzyskać większą moc.
Na oficjalnej pieczęci Nowego Jorku umieszczono symbol łopaty wiatraka.
Amerykańscy osadnicy używają wiatraków jako napędu do pomp wodnych stosowanych na ranczach.
Wczesne wiatraki stosowane na farmach mają skrzydła
wykonane z prostych drewnianych łat.
1805 r.
1806 r.
1850 r.
1867 r.
1880 r.
Sir Francis Beaufort tworzy skalę prędkości wiatru –
tzw. skala Beauforta.
Francuska armia inwazyjna „odkrywa” w Holandii setki wiatraków ulokowane wzdłuż rzeki Zaan.
Daniel Halladay z Connecticut we współpracy z Johnem Burnhamem konstruują i wkrótce rozpoczynają sprzedaż „wiatraków Halladaya” – zaprojektowanych specjalnie na potrzeby amerykańskiego zachodu. Powstaje
najpierw Halladay Windmill Company in Ellington, a 7 lat później U.S.
Wind Engine and Pump Company.
Leonard Wheeler z Beloit
Wiatrak o 4
(USA) skonstruował wiatrak
ramionach
o nazwie Eclipse, w którym
automatyczposzczególne elementy (piónie ustawiał
ra) były zamocowane do rasię „do wiatmy w kształcie koła.
ru” oraz saW wiatrakach wprowadzono
mokontrolołopaty wykonane ze stali dzięwał prędkość
ki czemu zwiększono ich wypracy łopat
dajność. W Ameryce zbudowirnika. Reguwano ponad 6 milionów wialacja prędkośtraków, które rozprzestrzeci pracy odbywała się dzięki zmianiają się wraz z osadnikami.
nie kąta ustawienia śmigła.
43
kalendarium 4str 2k.qxd
11/16/2007
11:14 AM
Turbiny o pionowej osi
(VAWT turbine), w porównaniu do tych o osi
poziomej (HAWT turbine)
produkują mniej energii
oraz w sposób mniej stabilny. Dodatkowo wymagają pomocy przy starcie.
na z wiatru z powodzeniem znalazła nowe zastosowania. We wczesnym średniowieczu silnik wiatrowy
wykorzystano m.in. w młynach prochowych. Równocześnie, mając do dyspozycji „darmową i odnawialną
energię”, w niektórych krajach wiatraki zastosowano
do osuszenia (pod uprawy) terenów podmokłych.
Nowe rozwiązania kształtu i sposobu wykonania płatów wiatraka, które coraz bardziej zaczynały przypominać śmigło, spowodowały wzrost prędkości obrotowej,
a co z tym związane, wzrost sprawności.
Jednak przyniosło to również niespodziewane kłopoty szczególnie w przypadku,
gdy wiatr był zbyt silny. Rozwiązanie tego
problemu znalazł, pod koniec XVIII w.,
pewien Szkot — zastąpił żagle listewkami,
które samoczynnie otwierały się i zamykały, podobnie jak żaluzje. Zasadę działania
tego wynalazku opisano w książce Windmills (wiatraki): „Kiedy silny podmuch
wiatru uderza w skrzydła, pokonuje opór sprężyn
i listwy się uchylają, dzięki czemu wiatr swobodnie
przepływa między nimi i prędkość obrotów maleje.
Gdy wiatr słabnie, sprężyny pokonują nacisk wiatru
i listwy się zamykają, wskutek czego wiatr napiera
na większą powierzchnię i skrzydła poruszają się
z niezmienioną prędkością”.
W latach 30. XX w. wiatraków powszechnie
używano na farmach w Stanach Zjednoczonych do
produkcji energii elektrycznej i pompowania wody.
Do 1940 r. w USA zbudowano około 6 milionów takich
generatorów. Turbiny wiatrowe były dla mieszkańców
wsi, w ówczesnych czasach, jedynym dostępnym
źródłem elektryczności. Wraz z wybuchem II wojny
światowej i ogromnym wzrostem zapotrzebowania na
stal ich produkcja uległa zahamowaniu. Jednak prace
koncepcyjne i konstrukcyjne kontynuowano.
W 1941 r. w Vermoncie powstała pierwsza turbina wiatrowa o mocy 1 MW.
Ponowny wzrost zainteresowania wykorzystaniem energii wiatru nastąpił po kryzysie energetycznym w 1973 r. Wtedy to sformułowano nową politykę
energetyczna, która preferuje czyste i odnawialne
źródła energii. 44
Do przygotowania kalendarium wykorzystano
materiały źródłowe:
„Kronika Techniki” – Praca zbiorowa,
wyd. WEP PWN,
www.windpower.org
www.elektrownie-wiatrowe.org.pl
www.energiazwiatru.w.interia.pl
www.wikipedia.pl
Page 44
W zachodnich (USA) gospodarstwach wiatraki zamawiane są z katalogów lub budowane przez właścicieli samodzielnie. Służą m.in. do
pompowania wody, łuskania kukurydzy, cięcia drewna i mielenia ziarna.
Thomas O. Perry, aby usprawnić
wiatrak, przeprowadza ponad 5000
eksperymentów. Zakłada Aermotor
Company.
Amerykański biznesmen i wynalazca
Charles F. Brush zbudował pierwszą
samoczynnie działającą siłownię
wiatrową produkującą energię elektryczną. Urządzenie nazwane turbiną
wiatrową miało, jak
na swoje rozmiary,
stosunkowo niewielką moc – 12 kW,
głównie za sprawą
wolnoobrotowego,
wielołopatowego
wirnika.
1880 r.
1880 r.
1888 r.
Wirnik miał średnicę
17 metrów i składał
się ze 144 łopat
zrobionych z drewna
cedrowego.
W USA działa 77 firm produkujących
wiatraki.
Duński wynalazca Poul la Cour odkrył, że szybko obracające się wirniki
turbin wiatrowych o niewielu łopatach generują więcej energii elektrycznej niż te wolnoobrotowe
z większą liczbą łopat.
Polarnik Fridtjof Nansen, podczas
wyprawy na biegun północny, używa na swoim statku lamp zasilanych
przez małą turbinę wiatrową.
W Danii, aby zapewnić wiosce energię elektryczną, zastosowano zespół
72 wiatraków.
Francuski wynalazca G.J.M. Darrieus
formułuje koncepcję rotora o pionowej osi.
1889 r.
1892 r.
1894 r.
1908 r.
1920 r.
Konstrukcja przypomina „ubijaczkę do jaj”. Zaletą
tego rozwiązania
jest to, że zmiana
kierunku wiatru
nie ma wpływu na
pracę urządzenia.
Holendrzy komunikują się z Niemcami za pomocą odpowiedniego ustawienia ramion wiatraka.
1939 r.
11/16/2007
11:14 AM
Page 45
Przemysł związany z wiatrakami znakomicie prosperował aż do upowszechnienia się pomp elektrycznych, które stały dostępne w latach 30. XX w.
1941 r.
1950 r.
W Vermoncie (USA) powstaje
gigantyczna turbina wiatrowa
wyposażona w 2 stalowe łopaty o długości 53 m (każde).
Inżynier Johannes Juul, jeden
z pierwszych studentów la Coura, jako pierwszy skonstruował siłownię wiatrową z generatorem prądu przemiennego.
Po zaledwie kilkuset godzinach pracy jedna z olbrzymich
łopat odpadła – najprawdopodobniej wskutek zmęczenia
materiału.
1957 r.
Na wybrzeżu Gedser w Danii zbudowano elektrownię wiatrową,
o mocy 200 kW, której założenia
techniczne do dziś są uważane za
nowoczesne.
Warto poznać
Wiatraki zapewne wynaleziono
ok. II w. p.n.e. Urządzenie jest poprzednikiem turbiny wiatrowej, którą czasami
również nazywa się wiatrakiem.
Czy wiesz, że...
Elektrownia wiatrowa to zespół
urządzeń produkujących energię elektryczną, wykorzystujących do tego turbiny wiatrowe. Energia elektryczna
uzyskana z wiatru jest uznawana za
ekologicznie czystą, gdyż pomijając
nakłady energetyczne związane z wybudowaniem takiej elektrowni, wytworzenie energii nie pociąga za sobą
spalania żadnego paliwa.
Pierwsza siłownia wiatrowa zbudowana według współczesnych założeń konstrukcyjnych – posiadała trójpłatowy wirnik zwrócony przodem
do wiatru (up-wind), generator asynchroniczny, mechanizm ustawiania
kierunku, hamulce aerodynamiczne
oraz regulację mocy poprzez zmianę
kąta natarcia łopat.
1960 r.
Z przymrużeniem oka
Wiatrówka
kalendarium 4str 2k.qxd
Niemiecki konstruktor Ulrich Hutter rozwija konstrukcje turbiny wiatrowej o poziomej osi.
Aby zwiększyć wydajność, wprowadza m.in. elementy
z włókna szklanego i plastiku.
1977–81 r.
1978 r.
1980 r.
1984 r.
2004 r.
W Danii powstaje pierwsza na
świecie elektrownia wiatrowa,
której elementy (wiatraki) zbudowano w strefie przybrzeżnej
– na morzu.
Powstają nowe typy turbin
wiatrowych o dwóch łopatach: MOD-0, MOD-1, MOD-2.
Departament Energii USA
przeznacza na badania związane z elektrowniami wiatroTurbiny wiatrowe na morzu.
wymi, napędzanymi tzw. odnawialnymi źródłami energii, budżet 59,6 milionów $.
W USA i Europie na dużą skalę powstają elektrownie
wiatrowe.
Na półwyspie Gaspé (Kanada) rozpoczynają się prace
nad projektem Éole – budowy największej na świecie
turbiny wiatrowej Darrieus.
Elektrownie wiatrowe na świecie wytwarzają łącznie
39000 megawatów.
Farma wiatrowa
1971 r.
Rotor
W 1960 r. na świecie wykorzystywano ponad milion siłowni wiatrowych. Ponowny wzrost
zainteresowania szerszym wykorzystaniem energii wiatru do celów energetycznych miał
miejsce po kryzysie energetycznym w latach 70.
45