Historia wykorzystania energii wiatru sięga 3000 lat p.n.e. Wtedy po raz pierwszy w Egipcie wykorzystano żagle do napędu łodzi. Na przestrzeni wieków zmieniała się konstrukcja żagli ale idea pozostała nie zmieniona. Pierwsze wykorzystanie wiatru do napędu wiatraków ma miejsce przypuszczalnie w roku 640 p.n.e. na granicy persko-afgańskiej. Były to konstrukcje o pionowej osi obrotu do napędu młynów. Kilka wieków później podobne konstrukcje pojawiły się w Chinach do osuszania pól ryżowych (ryc. 1B)
Ryc.1a i b. Pierwsze konstrukcje wiatraków
W Europie pierwsze wzmianki o wykorzystaniu wiatraków pochodzą z roku 1180 z Francji. Były to konstrukcje oparte na poziomej osi obrotu, stąd nazywano je wiatraki europejskimi. Wadą tego rozwiązania była konieczność ustawiania wiatraka pod wiatr. Wczesny wiatrak tego typu był budką, którą obracano wokół centralnie usytuowanego słupa (wiatrak palowy), by ustawić skrzydła na wiatr. Występują również koźlaki z poziomo umieszczoną osią śmigła posiadające możliwość obrotu całej konstrukcji wiatraka. W końcu XIV wieku pojawił się wiatrak wieżyczkowy (holenderski) z obracalną tylko górną częścią, na której zawieszone były skrzydła.
Ryc.2 Wiatrak holenderski
W niektórych krajach śródziemnomorskich (np. w Grecji) skrzydła wiatraka wyposażano w płócienne żagle, które refowano lub rozwijano. Wiatraków w Europie używano początkowo niemal wyłącznie do napędu młynów zbożowych.
Fot. Wiatraki greckie
W Holandii zaczęto z czasem stosować wiatraki do pompowania wody (od 1344 roku). a następnie do napędu tartaków i wytłaczarni oleju. W XVIII wieku w Anglii wyposażono wiatraki w urządzenia automatycznie nastawiające optymalnie skrzydła w stosunku do kierunku wiatru, oraz samoczynnie regulujące powierzchnię skrzydeł w zależności od siły wiatru.
Największy rozkwit technologii nastąpił w XIX w. kiedy to w Europie pracowało łącznie ponad 200.000 wiatraków.
Pierwsza wzmianka o pojawieniu się wiatraków, czyli młynów wietrznych na ziemiach polskich pochodzi z II połowy XIII wieku. Jest ona zawarta w zezwoleniu na budowę młynów poruszanych powietrzem, pochodzącym z 1271 r., a wydanym klasztorowi w Białym Buku przez księcia Wiesława z Rugii.
Zapis z 1289 r. książąt pomorskich na rzecz Cystersek w Szczecinie wyraźnie informuje o istniejącym wiatraku. Kolejne wzmianki informują o wiatrakach w Kobylinie – 1303 r. i Wschowie – 1325 r. W XIV i XV stuleciu budowle te były już powszechnie znane na ziemiach północnej i środkowej Polski.
Na południu kraju pojawiły się o wiele później bo w XVII w. (chociaż w okolicach Głogowa i Raciborza było to w II połowie XIV w.). W następnym stuleciu młyny były na dobre zadomowione w krajobrazie wsi polskiej, zwłaszcza w okolicach Poznania, na północnym Śląsku, Kujawach, Mazurach i Ziemi Lubuskiej.
Jak wynika ze stosunkowo dokładnych rejestrów w Polsce w XVIII w było ok. 20 tysięcy wiatraków. Często występowały one w dużych grupach – przykładowo na obrzeżach Leszna odnotowano istnienie aż 92 obiektów. W czasie tym młyny wietrzne konkurowały z wodnymi, lecz w XIX wieku na skutek regulacji rzek, nieumiejętnej melioracji w całej Polsce ilość wiatraków znacznie się zwiększyła. Również zniesienia w państwie pruskim przymusu mlewa (1808 r.) przyczyniło się do zwiększenia ilości wiatraków. Trwało to do początku XX wieku, kiedy konkurencyjność maszyn parowych zaczęła wypierać napęd siły wiatru.
W czasie zimy 1887-88 Charles F. Brush zbudował pierwszą samoczynnie działającą siłownie wiatrową produkującą energię elektryczną. Był on jednym z pionierów amerykańskiego przemysłu elektrotechnicznego. Jego firma Brush Electric, połączyła się w 1892 r. z Edison General Electric Company tworząc General Electric (GE), który dzisiaj jest jednym z największych koncernów na świecie. Jak na owe czasy turbina Brush’a była imponująca: wirnik miał średnicę 17 metrów i składał się ze 144 łopat zrobionych z drzewa cedrowego. Pracowała ona przez 20 lat, ładując akumulatory znajdujące się w piwnicy jego posiadłości. Moc jak na rozmiary urządzenia nie była imponująca – 12 kW, głównie za sprawą wolnoobrotowego, wielołopatowego wirnika. Dopiero kilka lat później w 1891 r. Poul la Cour (1846-1908) odkrył, że znacznie wydajniejsze dla generatorów elektrycznych są wirniki o kilku łopatach. Energię elektryczną uzyskaną z siłowni wiatrowych wykorzystywał on do procesu elektrolizy, z którego otrzymywał wodór, który służył mu do oświetlania jego szkoły.
Rys. Pierwsza elektrownia wiatrowa Charlesa F. Brusha
Fot. Elektrownia Poula La Cour’a
Inżynier Johannes Juul, jeden z pierwszych studentów la Cour’a, został w 1950 roku pierwszym konstruktorem siłowni wiatrowej z generatorem prądu przemiennego. W 1957 roku zbudował na wybrzeżu Gedser w Danii elektrownię wiatrową, której założenia techniczne do dziś są uważane za nowoczesne – siłownia o mocy 200 kW posiadała trójpłatowy wirnik zwrócony przodem do wiatru (up-wind), generator asynchroniczny, mechanizm ustawiania kierunku, hamulce aerodynamiczne oraz regulację mocy poprzez zmianę kąta natarcia łopat.(Fot.poniżej)
Umowne etapy rozwoju współczesnych elektrowni wiatrowych (za kryterium rozwoju przyjęto wielkość wirnika i generatora
lata 1955-1985
– średnica wirnika do 15m, małe domowe siłownie;
1985-1989
-średnica wirnika do 30m, powstanie pierwszych siłowni wiatrowych;
1989-1994
– średnica wirnika do 50 m, produkcja masowa siłowni o mocy do 600 kW;
1994-2002
– średnica wirnika ponad 50m, powstają siłownie o mocy 850kW, 1MW, 2MW
Obecnie największe siłownie wiatrowe znajdują się na terenie Danii, która ponad 20% mocy elektrycznej wytwarza za pomocą wiatru. Siłownia Quantum Blade posiada śmigła o długości 75 m i mocy 6MW.
Rys. Siłownia wiatrowa Quantum Blade ma największe na świecie skrzydła o łącznej rozpiętości 154m.
Współcześnie energię wiatru pozyskuje się na tzw. farmach wiatrowych zlokalizowanych głównie w obszarach o dużym nasileniu stałych wiatrów, jak wybrzeża morskie. Farmy takie mogą liczyć nawet kilkaset pojedynczych siłowni i posiadać łączną moc porównywalną z typową elektrownią na paliwo stałe.
Największą na świecie elektrownią wiatrową na morzu jest obecnie „London Array” w Wielkiej Brytanii. Jej moce zainstalowane to aż 630 MW. Prąd wyprodukowany z jej turbin pozwala na zasilenie pół miliona brytyjskich domów. „London Array” to wspólna inwestycja niemieckiej spółki E.ON, duńskiego Donga i Masdar (Zjednoczone Emiraty Arabskie). Farma zlokalizowana jest 20 km od wybrzeża hrabstwa Kent. Budowa elektrowni rozpoczęła się w marcu 2011 roku, a pierwsze megawaty wyprodukowano w kwietniu 2013 roku.
Elektrownia składa się ze 175 turbin, które dostarczył Siemens. Energia jest transportowana przez sieć 200 km kabli położonych na głębokości 25 metrów. Każda turbina wiatrowa ma 147 metrów wysokości ponad poziom morza. Każda z dwóch stacji transformatorowych waży 1 250 ton.
Fot. Morska farma wiatrowa
Źródło:
– instsani.pl