Elektrownie wiatrowe – co, jak i dlaczego? cz.2

W poprzedniej części dowiedzieliśmy się czym są elektrownie wiatrowe i jak działają. Dzisiaj trochę o wietrze, oryginalnych projektach i naginaniu praw fizyki… Jak wiadomo, tych złamać się nie da, jednak współczesna technologia potrafi je wykorzystać na swoją korzyść. Oczywiście tylko do pewnego stopnia, ale to wystarczy, by podwoić efektywność elektrowni wiatrowych. Zacznijmy jednak od początku.
Wiatr definiujemy jako ruch powietrza wywołany różnicą ciśnień (powietrze przemieszcza się z obszarów wysokiego ciśnienia do obszarów niskiego ciśnienia). Jako, że to od niego głównie zależy wydajność elektrowni wiatrowych, te buduje się w miejscach w których prędkość jak i powtarzalność wiatru są optymalne. Miejsca takie na terenie naszego kraju ilustruje poniższa mapka.

Jak sama prędkość wiatru wpływa na jego moc, którą możemy pobrać? Rozpatrzmy elektrownie wiatrową (HAWT) o średnicy wirnika 50 m (powierzchnia przepływu powietrza F=1962,5 m2 ) i przyjmijmy gęstość powietrza ρ=1,168 kgm3 .

 

Oznacza to, że dwukrotna zmiana prędkości wiatru zmienia moc ośmiokrotnie. Jest to powód, dla którego prędkość wiatru odgrywa tak wielką rolę w efektywności elektrowni wiatrowych.
Z powodu granicy Betz’a, nie da się osiągnąć dużej sprawności turbiny wiatrowej. Dlatego współczesna nauka skupiła się raczej na… przyśpieszeniu wiatru.

Przyśpieszyć wiatr

Znajomość praw fizyki, w szczególności w tym wypadku mechaniki płynów, pozwoliła na opracowanie wydajnych metod pozyskiwania energii z wiatru. Mowa tu o tzw. dyfuzorach, nazywanych czasem otunelowaniem. Dyfuzor jest w rzeczywistości przewodem mającym kształt ściętego stożka (czyli jest to przewód o zmiennej średnicy). Wirnik umieszcza się w mniejszej podstawie ściętego stożka, gdzie prędkość wiatru jest wyraźnie wyższa. Wynika to z prawa ciągłości strugi oraz paradoksu hydrodynamicznego i równania Bernoulliego.

Paradoks ten mówi, że im większa prędkość przepływu płynu, tym mniejsze będzie ciśnienie tego płynu (i na odwrót). Biorąc pod uwagę definicję wiatru jako przepływu powietrza spowodowanego różnicą ciśnień, dyfuzor wymusza dodatkowe zwiększenie tej różnicy, zarazem podnosząc prędkość wiatru.
Pomysł dyfuzorów liczy sobie już wiele lat, jednak wciąż jest udoskonalany. Naukowcy z Kyushu University usprawnili je dodając do większej podstawy dyfuzora wystający na zewnątrz pierścień. Projekt ten nazwali „wind lens” (ang. soczewki wiatrowe) i według nich, jest w stanie zwiększyć moc wiatru dwu lub trzykrotnie. Jest to uzasadnione, bo jak wcześniej wykazaliśmy, nawet niewielka zmiana prędkości może się przyczynić do gwałtownego wzrostu mocy.

Latające elektrownie?

Alternatywą dla sztucznego podnoszenia prędkości wiatru jest wykorzystanie obszarów, w których wiatr osiąga wysoką prędkość w sposób naturalny. Nie tylko w makro skali, ale i w mikro.
Zauważyliście, że w dużych miastach jest bardzo wietrznie? Jest to trochę dziwne, bo przecież wysokie budynki powinny stanowić wiatrochron – a jednak się tak nie dzieje. Właściwie, to one są przyczyną silnego wiatru – pośrednią – bo tą główną jest słońce. Wiatr jest spowodowany różnicą ciśnień, która z kolei jest ściśle związana z temperaturą powietrza. Wysokie budynki bardzo skutecznie zacieniają niektóre obszary, inne zaś są wystawione na silne (lub nawet lekkie) nasłonecznienie, i ciśnienie zaczyna się wahać. Efekt ten występuje nie tylko w miastach, ale i przy bardziej naturalnych strukturach np. wąwozach. Angielski architekt, Laurie Chetwood, zaproponował rozwiązanie które wykorzystuje taki efekt, właśnie w wąwozie. Projekt ten nazywa się tamą wiatrową. Owa tama zajmowała by całą powierzchnię (w przekroju) wąwozu i składałaby się z kewlarowego żagla o lejkowatym kształcie, z umieszczonym w specjalnym przewężeniu wirnikiem. Co ciekawe, praca takiej tamy przypominała by działanie turbin w elektrowni wodnych na tamach rzecznych.

Innym ciekawym rozwiązaniem jest system MARS (Magenn Power Air Rotor System). Najkorzystniejsze strefy pod względem średniorocznej prędkości wiatru są położone na wysokościach od 120 do 300 m nad poziomem terenu. Wiatr tam cechuje się nie tylko większymi prędkościami, ale też odpowiednio dużą stabilnością. Niestety budowanie tak wysokich elektrowni byłoby bardzo trudnym przedsięwzięciem. Taka konstrukcja zostałaby obciążona dużymi momentami obrotowymi, które wymagają wieży o wielkiej trwałości – a to jest problemem nawet dla niskich elektrowni.

MARS rozwiązuje ten problem, gdyż… nie posiada wieży. Składa się z odpowiednio ukształtowanego balonu (który jest elementem obrotowym) wypełnionego helem oraz umieszczonych na nim generatorów. Kable elektroenergetyczne są umieszone w linach mocujących balon do ziemi. Oczywiście posiada to wiele zalet: odpowiednia wysokość elektrowni, mobilność, nie zajmuje powierzchni na ziemi, generuje mniej hałasu itd. Być może każdy z nas w przyszłości nad swoim domem/blokiem będzie posiadał taki balon…

Czy te i inne oryginalne projekty wpłyną na przyszłość energetyki wiatrowej? I czy ona sama ma przyszłość? Wierzę, że tak, ale jednoznacznie zweryfikuje to tylko czas.

Pozdrawiam,
Jakub Sz.
odpadyblog.pl