Jak działa elektrownia wiatrowa?

Wzrost kosztów energii, troska o klimat i konieczność redukcji emisji dwutlenku węgla do atmosfery skłoniły społeczeństwo do intensywnego rozwoju technologii OZE. Obecnie, władze wielu państw postawiły sobie za cel ekspansję elektrowni wiatrowych, by walczyć przeciwko rosnącemu zanieczyszczeniu powietrza na naszej Planecie. Jakie korzyści kryją się za tym rozwiązaniem? Jak działa elektrownia wiatrowa i czy jest opłacalną metodą pozyskiwania energii? Zapraszamy do lektury.

Czym jest i jak powstaje energia wiatrowa?

Czy zastanawiasz się jak powstaje energia wiatrowa i co to tak właściwie jest? Jeśli tak, to jesteś we właściwym miejscu. Zacznijmy zatem od podstaw: czym jest wiatr?

Wiatr to nic innego, jak przemieszczająca się poziomo lub prawie poziomo nad ziemią masa powietrza. Ruch ten wywoływany jest przez różnicę ciśnienia atmosferycznego: wraz ze wzrostem dysproporcji, zwiększa się również prędkość wiatru. Pojęcie energii wiatrowej obejmuje natomiast energię kinetyczną, która jest wytwarzana w trakcie ruchu wspomnianych mas powietrza. Już w XIX wieku dostrzeżono potencjał tego zjawiska. Zimą 1887 roku, Charles F. Brush zbudował pierwszą na świecie, samoczynnie działającą elektrownię wiatrową, która później stała się pierwowzorem dla obecnie wykorzystywanych turbin.

Elektrownia wiatrowa - co to takiego?

Jak sama nazwa wskazuje, elektrownia wiatrowa jest (najczęściej) zespołem urządzeń, które przy pomocy turbin wiatrowych oraz energii wiatru, są w stanie produkować energię elektryczną w dużych ilościach. Pozyskany w ten sposób prąd uchodzi za jeden z najbardziej ekologicznych - głównie ze względu na fakt, że w czasie pracy turbiny nie spalają żadnego paliwa, a więc i nie emitują do atmosfery szkodliwych substancji.

Wiatr to jeden z filarów OZE, ponieważ jest darmowym, szeroko dostępnym oraz przede wszystkim niewyczerpalnym źródłem energii. W związku z tym, budowa elektrowni wiatrowych może być skutecznym sposobem zmniejszenia ilości emitowanych gazów cieplarnianych na naszej Planecie, a także poprawy krajowego bezpieczeństwa i bilansu energetycznego.

Zalety elektrowni wiatrowych

• Ekologiczność:
  Elektrownie wiatrowe nie emitują gazów cieplarnianych ani innych zanieczyszczeń do powietrza, a ich popularyzacja przyczynia się do poprawy jakości życia na naszej Planecie.
• Niskie koszty eksploatacyjne:
  Po wstępnym zainwestowaniu w budowę elektrowni wiatrowych, koszty eksploatacyjne są relatywnie niskie. W przeciwieństwie do elektrowni węglowych czy jądrowych, modele wiatrowe nie wymagają zakupu paliwa do produkcji energii.
• Bezobsługowość:
  Elektrownie wiatrowe są w stanie funkcjonować praktycznie bezobsługowo przez długi czas, co pozwala jeszcze bardziej ograniczyć koszty związane z ich utrzymaniem.
• Odporność na zmienne warunki pogodowe:
  Nowoczesne elektrownie wiatrowe nie tylko mogą działać przy niskich prędkościach wiatru, ale także są w stanie przetrwać silne wichury, dzięki czemu nie są tak podatne na awarie spowodowane ekstremalnymi warunkami pogodowymi.
• Lokalizacja:
  Elektrownie wiatrowe mogą zostać zbudowane na różnych podłożach, co umożliwia produkcję energii na obszarach wiejskich i podmiejskich, gdzie zwykle jest więcej wiatru.
• Odpowiedzialność społeczna:
  Elektrownie wiatrowe są nie tylko efektywnym sposobem produkcji prądu, ale także stanowią przykład działań na rzecz ochrony środowiska i dbałości o zrównoważony rozwój Planety.

Jak działa elektrownia wiatrowa?

Zasada działania elektrowni wiatrowej jest stosunkowo prosta. Proces produkcji prądu rozpoczyna się już w turbinie wiatrowej. W momencie, gdy wiatr przepływa przez jej łopaty, energia kinetyczna wiatru zostaje przekształcona w ruch obrotowy wirnika (zamiana energii kinetycznej w mechaniczną). Poprzez wał i przekładnię, ruch ten zostaje przetransportowany do generatora, gdzie następuje jego transformacja w prąd (zamiana energii mechanicznej w elektryczną). Wytworzona energia elektryczna zostaje następnie od razu przesłana do sieci energetycznej lub do podpiętego akumulatora, skąd może zostać zabrana w dowolnym momencie.

Rodzaje elektrowni wiatrowych

Od momentu wynalezienia przez Charlesa F. Brusha pierwszej produkującej prąd turbiny wiatrowej, rynek energetyczny mocno poszedł do przodu. Obecnie możemy wyróżnić liczne rodzaje elektrowni wiatrowych, które między sobą różnią się konstrukcją, rozmiarem, zastosowaniem oraz wydajnością. Do najpopularniejszych z nich zaliczamy:

Elektrownie wiatrowe o poziomej osi obrotu (HAWT)

To najczęściej stosowane typy elektrowni wiatrowych. W HAWT wirnik składa się z łopat, które są umieszczone poziomo na wale i obracają się wokół własnej osi. Wiatr napotykający łopaty turbiny napędza wirnik, generując przy tym ruch obrotowy. Ten ruch obrotowy jest następnie przenoszony przez wał i przekładnię do generatora, gdzie energia kinetyczna wiatru jest przekształcana w energię elektryczną.

Elektrownie wiatrowe HAWT są popularne ze względu na ich wysoką wydajność wytwarzania energii elektrycznej, a także dlatego, że mogą być zainstalowane na różnych terenach, w tym na obszarach wiejskich, przedmieściach, lub nawet na morzu. Elektrownie HAWT mają również stosunkowo wysoką moc wyjściową, co oznacza, że mogą dostarczać dużo energii elektrycznej do sieci energetycznej. Jedną z wad HAWT jest to, że ich konstrukcja wymaga stosunkowo dużo miejsca, przez co budowa farm wiatrowych tego typu nie zawsze będzie możliwa na obszarach o ograniczonej przestrzeni.

Elektrownie wiatrowe o pionowej osi obrotu (VAWT)

Elektrownie wiatrowe o pionowej osi obrotu (VAWT) to kolejny rodzaj konstrukcji. Zastosowane w nich turbiny mają pewne cechy szczególne - wirnik składa się z łopat umieszczonych pionowo wokół centralnego wału. Oznacza to, że przeciwieństwie do elektrowni HAWT, VAWT wykorzystuje siłę wiatru do obracania wirnika wokół pionowej osi. Dzięki tej unikalnej konstrukcji, elektrownie VAWT są w stanie wykorzystać wiatr napływający z większej ilości kierunków, niż ich odpowiedniki z poziomą osią obrotu.

Jedną z zalet VAWT jest to, że są one bardziej kompaktowe i mogą być zainstalowane na obszarach o ograniczonej przestrzeni, w tym w miastach i na terenach zurbanizowanych. Ponadto, elektrownie VAWT są bardziej stabilne w przypadku silnych wiatrów, co oznacza, że mogą działać w szerszej gamie warunków atmosferycznych. Niestety, VAWT nie są pozbawione wad. Mają mniejszą moc wyjściową niż HAWT, przez co mniej wydajnie produkują energię elektryczną - potrzebują zatem większej powierzchni, aby uzyskać tę samą ilość prądu, co HAWT.

Mini elektrownie wiatrowe

Nazwa mini elektrownie wiatrowe odnosi się do niewielkich wiatraków - zwykle montowanych na masztach - o mocy od kilku do kilkudziesięciu kilowatów. Stosuje się je przede wszystkim do wytwarzania energii elektrycznej w mniejszych budynkach, na przykład w domach jednorodzinnych. Najczęściej można je spotkać jednak na odległych obszarach, gdzie brakuje infrastruktury energetycznej.

Jedną z głównych zalet mini elektrowni wiatrowych jest to, że mogą one pomóc w zmniejszeniu rachunków za energię elektryczną, zwłaszcza na terenach, na których często występuje silny wiatr. Ponadto, instalacja tego rodzaju turbin jest stosunkowo prosta i tania, a sama elektrownia wiatrowa może być w łatwy sposób przemieszczana w razie potrzeby. Warto mieć na uwadze, że choć praktyczne, mini elektrownie wiatrowe mają o wiele mniejszą moc wyjściową, niż ich większe odpowiedniki. Oznacza to, że mogą dostarczać tylko część energii potrzebnej dla danego budynku lub instalacji.

Elektrownie wiatrowe offshore

Termin “offshore” dotyczy elektrowni wiatrowych, które zainstalowane zostały na morzu. Elektrownie wiatrowe offshore mają potencjał do wytwarzania znacznie większych ilości prądu, niż systemy umieszczone na lądzie. Jest to spowodowane warunkami panującymi nad wodą - tutaj wiatr wieje silniej i bardziej regularnie. Fakt ten pozwala na wykorzystanie większych turbin wiatrowych, a także na ich lepsze rozmieszczenie na terenie farmy.

Zgodnie z badaniami przeprowadzonymi przez instytuty badawcze, takie jak Międzynarodowa Agencja Energii (IEA), elektrownie wiatrowe offshore wytwarzają średnio około 50% więcej energii elektrycznej, niż elektrownie wiatrowe na lądzie o takiej samej mocy. Jednocześnie, offshore mają mniejszy wpływ na środowisko naturalne i krajobraz widokowy, ponieważ są umieszczone na znacznie większych obszarach i dalej od terenów zamieszkałych.

Niestety, budowa i eksploatacja elektrowni wiatrowych offshore jest zwykle droższa niż farm lądowych. Dzieje się tak, ponieważ wymagają one zastosowania kosztownych konstrukcji do ich budowy. Ponadto, aby elektrownie wiatrowe offshore mogły powstać, konieczne jest użycie specjalistycznych jednostek pływających do instalacji i konserwacji turbin, co również podnosi koszty ich eksploatacji.

Pomimo tych wyzwań, elektrownie wiatrowe offshore są uważane za ważny element przyszłego mixu energetycznego, ze względu na ich potencjał do generowania znacznej ilości energii elektrycznej przy minimalnym wpływie na środowisko naturalne.

Podział elektrowni wiatrowych względem mocy

Elektrownie wiatrowe można podzielić na trzy kategorie: mikro, małe i duże. Pierwsza grupa - mikroelektrownie wiatrowe - odznacza się niedużą mocą, nieprzekraczającą 100 W. Zazwyczaj wykorzystuje się je w celu zasilenia pojedynczych urządzeń elektrycznych lub ładowania akumulatorów. Druga grupa to małe elektrownie wiatrowe. Ich moc mieści się w przedziale 100 W - 50 kW, dzięki czemu są w stanie zasilić nawet całe gospodarstwa domowe, wytwarzając prąd dla sprzętu AGD i pozostałych urządzeń. Najczęściej spotykane są systemy o mocy do 5 kW.

Ostatni rodzaj to duża elektrownia wiatrowa. Jej moc rozpoczyna się już od progu 100 kW, a wytworzony prąd zazwyczaj sprzedawany jest prosto do sieci energetycznej. Tego typu elektrownie muszą spełniać szereg wymagań operatora, a ich budowa i eksploatacja jest o wiele kosztowniejsza, niż mniejszych elektrowni.

Ile prądu wytworzy elektrownia wiatrowa?

Ilość energii elektrycznej wyprodukowanej przez elektrownie wiatrowe zależy od różnych czynników, takich jak rodzaj wiatraka, jego moc, efektywność i warunki wiatrowe na danym obszarze. Aby standardowe turbiny mogły zostać wprawione w ruch, wiatr musi osiągać odpowiednią szybkość - zazwyczaj około siedmiu kilometrów na godzinę. Co ciekawe, gdy prędkość wiatru przekroczy 100 km/h, ze względów bezpieczeństwa turbina się wyłącza.

Zatem, ile prądu wytworzy elektrownia wiatrowa? Przykładowo, instalacja o mocy 2 MW jest w stanie wyprodukować w ciągu roku ponad 4 GWh prądu - taka ilość spokojnie wystarczy na zasilenie ponad 1300 gospodarstw domowych.

Kto może wybudować elektrownię wiatrową?

Inwestycja we własną elektrownię wiatrową jest dostępna dla różnych podmiotów, w tym dla osób fizycznych, firm prywatnych, przedsiębiorstw energetycznych, a nawet dla samorządów i władz lokalnych. Jednak ze względu na duże koszty związane z budową i eksploatacją tego typu elektrowni, najczęściej inwestują w nie przedsiębiorstwa energetyczne lub spółki specjalizujące się w energii odnawialnej, które posiadają wystarczający kapitał oraz doświadczenie w tym zakresie. Osoby prywatne lub niewielkie firmy zazwyczaj stawiają na mniejsze elektrownie wiatrowe (mikro/małe), które są bardziej dostępne cenowo i wymagają mniejszego kapitału początkowego.

Elektrownia wiatrowa czy słoneczna?

Wybór pomiędzy elektrownią wiatrową a słoneczną może być dość trudny. Choć montaż własnej turbiny na pierwszy rzut oka wydaje się być bardzo dobrym planem, należy zdawać sobie sprawę, że uzyskanie potrzebnych pozwoleń jest o wiele bardziej czasochłonne, niż w przypadku fotowoltaiki. Pod względem kosztów, elektrownia wiatrowa również wypada nieco słabiej od swojego słonecznego odpowiednika - tym bardziej, że w ostatnich latach ceny paneli fotowoltaicznych znacząco spadły. Wszystkie te czynniki sprawiają, że montaż fotowoltaiki wydaje się być o wiele bardziej opłacalną opcją dla przeciętnego prosumenta.

Nie oznacza to jednak, że elektrownie wiatrowe są zupełnie nieopłacalną inwestycją. Wręcz przeciwnie - każdy inwestor, który może sobie pozwolić na wyłożenie środków na budowę farmy wiatrowej, zacznie czerpać z niej duże zyski w krótkim czasie od jej uruchomienia. Główną rolę odgrywa tu kapitał początkowy oraz czas, jaki możemy poświęcić na szukanie właściwego do tej inwestycji terenu i zdobywanie pozwoleń.

Uwzględniając wszystkie aspekty obu rozwiązań, instalacje fotowoltaiczne wydają się być korzystniejszą opcją dla osób prywatnych i niewielkich przedsiębiorstw. Z kolei na elektrowniach wiatrowych najwięcej zyskają duże firmy oraz inwestorzy, będący w stanie w pierwszej kolejności wyłożyć - często niemały - kapitał początkowy.