Jak działają wiatraki i inne turbiny wiatrowe?

Turbiny wiatrowe to drugi największy światowy producent energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych. Siła wiatru, podobnie jak częściej wykorzystywane promienie słoneczne, jest darmowa i powszechnie dostępna. Jej eksploatacji nie towarzyszą też brzydkie prezenty w postaci gazów cieplarnianych. Jak to jednak możliwe, że turbiny wiatrowe są w stanie zasilać tak wymagające obiekty jak serwerownie, a niemrawy obrót odpowiednio mocarnego wiatraka pozwala naładować do pełna telefon z największą baterią, zrobić pranie i dokonać rzeczy tak wielkiej, jak przetranspotrownie statku kosmicznego do doku? 

Jak działa turbina wiatrowa?

Turbiny wiatrowe pozwalają przetwarzać energię kinetyczną wiatru na energię elektryczną. Te najpotężniejsze, o mocy co najmniej kilku MW to metalowe wieże, na szczycie których umieszczony jest wirnik oraz gondola z przekładnią i generatorem prądu.

Schemat budowy najpopularniejszego modelu turbiny wiatrowej

Turbiny HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine)

Turbiny wiatrowe o poziomej osi obrotu to najpopularniejsze konstrukcje, służące pozyskiwaniu siły wiatru. Wymagają one lokowania na otwartych przestrzeniach, a ich forma to najczęściej trójskrzydłowy wiatrak na wysokiej (ponad 200 metrowej) wieży, który pracuje od strony zawietrznej. Do tej samej grupy turbin HAWT należą także wiatraki jednopłatowe, dwupłatowe oraz wielopłatowe. Są one jednak mniej efektywne, podobnie jak turbiny wiatrowe ustawiane zgodnie z kierunkiem wiatru.

Turbiny VAWT (Vertical Axis Wind Turbine)

Wśród turbin wiatrowych wiatraki to nie wszystko. Na obszarach zurbanizowanych możemy natknąć się na konstrukcje, które przypominają maszty radiowe. Są to turbiny o pionowej osi obrotu, które bez przeszkód mogą funkcjonować w przestrzeni zabudowanej.  Montowane są na gruncie, ale doskonałym miejscem dla turbin VAWT są także dachy budynków. Dysponują mniejszą mocą niż turbiny HAWT, ale emitują mniejszy hałas i wykazują większą tolerancję dla siły oraz kierunku wiatru.

Przy pomocy turbin wiatrowych o pionowej osi obrotu można zapewniać pojedynczym budynkom awaryjne źródło energii lub na bieżąco zasilać niewielkich jej konsumentów: oświetlenia, elementów monitoringu, bramy itp. Sprawdzają się też jako element rewitalizacji obszarów poprzemysłowych. Tak prezentują się turbiny VAWT zamontowane na teranie kopalni Szombierki w Bytomiu:

Jak powstaje prąd w turbinach wiatrowych? 

Pod wpływem podmuchu wiatru łopaty wirnika zaczynają się poruszać, a energia kinetyczna przenoszona jest na ruch obrotowy wirnika. W ten sposób jest transportowana do generatora, który zamienia ją w energię elektryczną. W kolejnym kroku jest ona przesyłana do sieci energetycznej lub akumulatora.

Wnętrze wieży turbiny wiatrowej, autor: VanGore CC BY-SA 3.0

Turbiny VAWT także dysponują generatorem, z którego energia transportowana jest do akumulatora lub sieci, ale ich wirnik poruszany jest na innych zasadach. W niektórych konstrukcjach fale powietrza o niewielkiej prędkości dostając się pomiędzy łopatki, wprawiana jest w ruch charakterystyczny dla zjawiska tornado. Tak zmultiplikowana siła wiatru przenoszona jest na obroty wirnika.  W innych obroty są inicjowane przez zewnętrzne zasilanie i jeśli siła wiatru nie spada, dochodzi do efektywnej produkcji.

Czy turbiny wiatrowe działają autonomicznie?

Wiatraki do pracy potrzebuje tylko energii kinetycznej. Poza wyjątkowymi projektami do obrotów wirnika i produkcji energii elektrycznej zmuszają ją podmuchy wiatru o prędkości od 7 do 100 km/h. Zbyt łagodny wiatr nie jest w stanie poruszyć łopat, a zbyt porywisty uruchamia hamulec, zatrzymujący pracę turbiny.

Dzieje się tak, ponieważ elektrownie wiatrowe swoją najwyższą moc muszą osiągać jak najczęściej. Większość budowanych w Polsce turbin wiatrowych najwydajniejsza jest w kontakcie z wiatrem o prędkości 54 km/h. Jeśli staje się on bardziej porywisty, wiatrak ogranicza produkcję wytrącając energię kinetyczną, aż do zaprzestania pracy.

Turbina wiatrowe podczas porwistego wiatru. Droga A1 w okolicach Grudziądza, styczeń 2023

Turbiny wiatrowe właśnie dlatego w trakcie burzy lub wichury stają się nieruchome. Oprócz automatycznego pomiaru prędkości wiatru, zamontowany na ich gondoli wiatromierz pozwala także na odpowiednie ustawienie płaszczyzny łopat wirnika i korygowanie położenia całej konstrukcji. Dzięki temu współczesne turbiny wiatrowe w stanie bezobsługowo dostosować się do warunków pogodowych oraz blokować swój mechanizm, jeśli wiatr niebezpiecznie przybiera na sile.

Nie oznacza to, że elektrownie wiatrowe nie są monitorowane. Turbiny wiatrowe są wyposażane w łączność satelitarną, a parametry ich pracy można obserwować w czasie rzeczywistym. Takie dane są jednak wykorzystywane głównie w celach serwisowych.

Ile prądu produkuje jeden wiatrak?

Aktualnie (styczeń 2023) największa turbina wiatrowa na świecie pracuje w Duńskim Narodowym Centrum Testowym Energetyki Ostrerild. Jej moc jednostkowa wynosi 15 MW, łopaty mierzą sobie 115,5 m długości, a cały wirnik ma średnicę 286 metrów. 

Obejrzyj w

Montaż tego olbrzyma miał miejsce przed kilkoma tygodniami i jego rzeczywiste możliwości jeszcze są potwierdzane. Producent, firma Vestas, zakłada jednak, że turbina pracując na morzu, będzie wytwarzać około 80 GWh energii elektrycznej rocznie. Pokryje więc zapotrzebowanie około 20 000 gospodarstw domowych.

Podobne instalacje na świecie nie są powszechne, a ogromne wiatraki, które coraz częściej pojawiają się w krajobrazie polskich pól i łąk, zazwyczaj dysponują mocą 1 - 2 MW. Istotne jest też, że ich możliwości są zależne od siły wiatru. Oznacza to, że w roku pracują około 1 500 do 2 000 godzin. W takim czasie wiatraki o najwyższych mocach są w stanie dostarczyć nawet 4 GWh energii i zaspokoić potrzeby około 1 300 gospodarstw domowych.

Turbiny wiartrowe w Polsce. Trasa A1 w okolicach Grudziądza. 

Więcej oczekiwać można od farm wiatrowych działających na morzu, ale pierwszy poważny obiekt tego typu w Polsce dopiero powstanie. Baltic Power, która będzie budowana 23 km od linii brzegowej na wysokości Choczewa i Łeby, ma być kompleksem dziesiątek turbin wiatrowych. Ich zespół stworzy farmę wiatrową o łącznej mocy 1,2 GW. Ma rozpocząć prace około 2026 roku i jeśli w międzyczasie nasze potrzeby energetyczne nie spotka żadna rewolucja, Baltic Power pokryje potrzeby około 1 500 000 gospodarstw domowych.

Czy warto inwestować w farmy wiatrowe?

Dzięki turbinom wiatrowym możemy pozyskiwać energię elektryczną bez zatruwania atmosfery. Energia wiatru jest niewyczerpana i nasza planeta niczego nie traci, jeśli się nią częstujemy. To jednak są tylko zalety procesu produkcji prądu, do którego dochodzi przy pomocy turbin. One same dla środowiska naturalnego obojętne nie są.

Przede wszystkim farma wiatrowa ma wymagania terenowe i jest to problem dotyczący zarówno instalacji lądowych (onshore), jak i morskich (offshore). Ich budowa wiąże się z:

• degradacją krajobrazu
• zagrożeniem dla ptaków (zmuszają do zmiany tras migracji, ale także do przenoszenia lęgowisk)
• hałasem i efektem stroboskopowym (odczuwalnym na dystansie nawet 4 km)
• zanieczyszczenie odpadami przemysłowymi (turbiny wiatrowe są wykonywane z materiałów opornych na recykling)

Instalacje offshore mają też negatywny wpływ na florę oraz faunę morską i mogą stanowić ograniczenie dla transportu wodnego oraz rybołóstwa. Ich lokowanie na powierzchni mórz jest energetycznie bardzo efektywne, ale wymaga kompromisu pomiędzy interesami człowieka i planety.