Historia energetyki wiatrowej

    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 wiarygodne informacje o istnieniu wiatraków ze źródeł historycznych pochodzą z roku 644 n.e. Opowiada o wiatrakach z pogranicza persko-afgańskiego Seistanu. Późniejszy opis, zawierający szkic, pochodzi z 945 roku i przedstawia wiatrak z pionową osią obrotu. Był używany do mielenia ziarna. Podobne, niezwykle prymitywne wiatraki przetrwały w Afganistanie do dziś. Kilka wieków później podobne konstrukcje, wykonane z bambusa i prymitywnego płótna,  pojawiły się w Chinach do osuszania pól ryżowych (ryc. 2)

Rys.1 Wiatrak o pionowej osi obrotu z Afganistanu.

 

Rys.2 Wiatrak Chiński do osuszania pół ryżowych.

 

 

W Europie pierwsze wzmianki o wykorzystaniu wiatraków pochodzą z roku 1180 z Francji (Księstwo Normandii). Były to konstrukcje oparte na poziomej osi obrotu, stąd nazywano je wiatraki europejskimi. Miał to być tzw. wiatrak słupowy, albo „koźlak”. Podobne informacje wskazują również na prowincję Brabant, gdzie  wiatrak słupowy został zbudowany już w 1119 roku. Z tego północno-zachodniego zakątka Europy wiatraki szybko rozprzestrzeniły się po całej Europie Północnej i Wschodniej, aż do Finlandii i Rosji Wadą powyższego rozwiązania była konieczność ustawiania wiatraka pod wiatr. Wczesny wiatrak tego typu był budką, którą obracano wokół centralnie usytuowanego słupa, by ustawić skrzydła na wiatr.(rys.3)

 

Rys. 3 Wiatrak słupowy (koźlak) ustawiany ręcznie na wiatr.

 

Rys. Koźlak, wytrzymałość konstrukcji była niska, a jej obrót skomplikowany związany z dużym ciężarem. Wiatrak w czasie silnego wiatru stanowił zagrożenie dla młynarzy, kiwał się na boki i mógł ulec zniszczeniu poprzez złamanie słupa. W późniejszym okresie powstała jego bardziej solidna odmiana, tzw. „paltrak”, gdzie cała konstrukcja była oparta na podstawie fundamentowej. Obrót umożliwiało łożysko z systemem rolek, dzięki czemu siła potrzebna do obrotu była mniejsza, a sama konstrukcja bardziej stabilna.

 

W Holandii w XVI wieku wprowadzono kilka zdecydowanych ulepszeń wiatraków, co doprowadziło do powstania nowego typu młyna, tak zwanego „wiatraka holenderskiego”. W wiatraku holenderskim wieża była wykonana jako kamienna, związana z podłożem. Na jej górze zamocowana była ruchoma głowica z kołem wiatrakowym, która obracała się do kierunku wiatru. Stała konstrukcja młyna holenderskiego  pozwoliła na zwiększenie zarówno wymiarów, jak i zakresu zastosowań. Jednak jego wysoki koszt spowodował, ze inne wiatraki, w tym słupowe były równolegle wykonywane, a wiele z konstrukcji przetrwało do XX wieku.

 

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.

 

Rys. Po prawej (wiatrak holenderski) 

 

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.

 

 

 

 

Fot. Wiatraki greckie

 

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. po prawej)

 

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.