Energia Wiatrowa

Klaudia Mikołajczak

Co to jest ENERGIA WIATROWA?

  Jest to energia kinetyczna przemieszczających się mas powietrza, zaliczana do odnawialnych źródeł energii. Przekształcana w energię elektryczną za pomocą turbin wiatrowych, jak również wykorzystywana jako energia mechaniczna w wiatrakach i pompach wiatrowych. Używane także jako źródło napędu w jachtach żaglowych. W 2010 roku energia wiatru dostarczyła ludzkości 430 TWh, czyli ok. 2,5% światowego zapotrzebowania na energię elektryczną.

Fizyka wiatru

Energia kinetyczna powietrza przelatującego przez powierzchnię A w czasie t określa się wzorem:

gdzie:v - prędkość wiatru ρ - gęstość powietrza. Avt to objętość powietrza przelatującego przez powierzchnię A, Avtρ jego masę.

Powierzchniowa gęstość mocy (energia na jednostkę czasu i powierzchni), określa się wzorem:

Moc jest więc zależna od trzeciej potęgi prędkości, czyli oznacza to, że wiatr o dwukrotnie większej prędkości może dostarczyć ośmiokrotnie więcej mocy. Dlatego też lokalizacja turbin wiatrowych w miejscach gdzie wieją silne wiatry ma kluczowe znaczenie dla ich efektywności.

Niestety nie cała energia kinetyczna wiatru może zostać wykorzystana przez turbinę. Wykorzystanie energii powoduje, że wiatr zwalnia, co utrudnia dalszy napływ wiatru. Teoretycznie maks. efektywność turbiny może wynieść 59,3%. Lecz w praktyce efektywność turbin jest niższa.

Dostępność energii

Źródłem energii kinetycznej wiatru jest energia światła słonecznego. Ziemia ogrzewana jest nierównomiernie, lądy nagrzewają się i stygną szybciej niż morza. Poprzez to na Ziemi cały czas tworzą się różnice temperatur. Wywołuje to prądy konwekcyjne w atmosferze, różnice ciśnień i cyrkulację powietrza.

Szacuje się, że oko. 1% energii słonecznej docierającej do powierzchni Ziemi przekształca się w energię wiatrów. Oznacza to, że ich sumaryczna moc może sięgać 900 TW. Większość tej mocy należy do wiatrów wiejących na dużych wysokościach i nad oceanami. Ilość mocy, która może być praktycznie wykorzystana jest szacowana (w zależności od metodologii) od 18 do 170 TW. Dla porównania, całkowite zapotrzebowanie ludzkości to 15–18 TW.

Produkcja energii elektrycznej

Najczęściej stosowanym urządzeniem do produkcji energii elektrycznej z energii wiatru jest turbina wiatrowa. Stanowi ona główny element elektrowni wiatrowej. Składa się z wirnika zamontowanego na wysokiej wieży i połączonego z generatorem prądu. Wiatry wiejące przy powierzchni Ziemi mają zwykle niewielką prędkość, więc moc generowanego prądu można zwiększać zarówno zwiększając średnicę wirnika jak i wysokość wieży. Ograniczeniem jest wytrzymałość materiałów, z których zbudowana jest turbina. Największe współcześnie budowane turbiny mają wirniki o średnicy 164 metrów zamontowane na wieży o wysokości 187 metrów i umożliwiają wytwarzanie 7 MW mocy.

Siła wiatru jest zmienna, więc turbiny wiatrowe przez większość czasu nie pracują z pełną mocą. Stosunek wytwarzanej energii do teoretycznie możliwej do wytworzenia przez daną turbinę wynosi zwykle 20–40%. Najwyższe wyniki uzyskują turbiny umieszczone w szczególnie dogodnych miejscach. Przykładowo 1 MW turbina o współczynniku wydajności 35% wytwarza w ciągu roku 1 × 0.35 × 24 × 365 = 3066 MWh, zamiast teoretycznie możliwych 8760 MWh.

Moc generowana przez turbiny może gwałtownie się zmieniać z godziny na godzinę oczywiście w zależności od siły wiatru. Ulega też zmianom dobowym i rocznym. Odbiorcy energii elektrycznej nie chcą być uzależnieni od takich zmian, więc duże elektrownie wiatrowe muszą być wspomagane przez klasyczne elektrownie, lub przez systemy magazynowania energii (np. elektrownia szczytowo-pompowa lub CAES). Wykorzystanie energii słonecznej i wiatrowej równocześnie może częściowo niwelować ten problem. Wyże baryczne charakteryzują się czystym niebem i stosunkowo słabymi wiatrami przy powierzchni, a niże baryczne są zwykle bardziej wietrzne i bardziej pochmurne. Podobnie na wielu obszarach najsilniejsze wiatry wieją w zimie, gdy energii słonecznej jest najmniej.

Energetyka wiatrowa

Już od początku XXI wieku energetyka wiatrowa rozwija się w tempie 20–30% rocznie. Moc elektrowni wiatrowych wybudowanych do 2000 roku wynosiła 18 GW, do 2005 roku wynosiła już 59 GW, a do 2010 roku wynosiła całe 199 GW. W 2011 roku całkowita moc elektrowni wiatrowych wynosiła 239 GW, w 2012 wynosiła 282 GW.