CZYM JEST WIATR?
Wiatr powstaje, gdy duże masy powietrza przemieszczają się między różnymi strefami ciśnienia w atmosferze. Różnica ciśnień wynika z różnic w gęstości ciepłego i zimnego, suchego i wilgotnego powietrza. Ciepłe i wilgotne masy powietrza unoszą się i są zastępowane przez chłodniejsze i bardziej suche. Na różnych wysokościach kierunki wiatru są różne, a na wyższych wiatry są silniejsze i bardziej stałe. Na kierunek wiatrów ma również wpływ obrót kuli ziemskiej.
WYZWANIE:
WYPRÓBUJ RÓŻNE ELEKTROWNIE WIATROWE I ICH WYDAJNOŚĆ
- Twórz i kontroluj przepływ wiatru.
- Wszystkie wiatraki mają ten sam obszar.
- Wygeneruj kwant energii za pomocą każdego z nich.
- Ile czasu zajęło ci to w każdym przypadku? Która elektrownia jest najbardziej wydajna?
TURBINA WIATROWA O PIONOWEJ OSI OBROTU TYPU SAVONIUS
Skrzydła złożone obracają się po stronie wklęsłej ze względu na większy opór powietrza niż po stronie wypukłej. Takie elektrownie są bardzo nieefektywne, ale zaczynają się kręcić przy bardzo słabym wietrze z dowolnego kierunku. Stosowane tam, gdzie prostota konstrukcji i niezawodność są niezbędne.
TURBINA O POZIOMEJ OSI
Obrót następuje z powodu siły nośnej działającej na skrzydła. Zaczyna się obracać przy umiarkowanym wietrze. Wszystkie skrzydła pracują jednocześnie, co czyni je bardzo wydajnymi, ale muszą być stale zwrócone w stronę wiatru. Są bardzo stabilne, ponieważ siły rozkładają się równomiernie w całym cyklu obrotowym. Dzięki temu elektrownie te mogą być produkowane w ogromnych rozmiarach.
TURBINA SPIRALNA O PIONOWEJ OSI DARRIEUS
Elektrownia średniej mocy obraca się pod działaniem siły nośnej. Spiralny kształt łopat znacznie zmniejsza wibracje związane z wiatrakami o pionowej osi obrotu. Działają przy umiarkowanym wietrze z dowolnego kierunku, jednak wiatr obraca je bardzo powoli. Takie turbiny mają rozruszniki.
JAK WYKORZYSTUJEMY ENERGIĘ WIATROWĄ?
WCZORAJ
– Wiatr był głównym źródłem energii dla żeglugi.
– Energia mechaniczna generowana przez wiatraki służyła do mielenia zboża lub podnoszenia wody.
DZISIAJ
– Wiatr jest wykorzystywany prawie wyłącznie w żegludze rekreacyjnej i sportowej.
– Na lądzie i na morzu powstają ogromne farmy wiatrowe do wytwarzania energii elektrycznej, których wydajność zbliża się do teoretycznych granic.
JUTRO
– Łodzie motorowe i latawce przywrócą wiatr do żeglugi przemysłowej.
– Rozwój elektrowni pływających na dużych wysokościach, gdzie wiatry są silne i stałe.
– W elektrowniach elektrostatycznych wiatr przenosi naelektryzowane cząstki, tworząc różnicę potencjałów i prąd elektryczny.
JAK DZIAŁA ELEKTROWNIA WIATROWA?
Wirnik turbiny wiatrowej przekształca energię kinetyczną wiatru w energię mechaniczną. Jest ona zamieniana na energię elektryczną poprzez obrót generatora.
SKRZYNIA BIEGÓW
Prędkość obrotowa turbiny wiatrowej jest zwiększana w celu utrzymania optymalnej prędkości pracy generatora. Elektrownie z generatorami wolnoobrotowymi nie posiadają przekładni.
EFEKTYWNOŚĆ
Turbiny wiatrowe przechwytują energię wiatru, zmniejszając jego prędkość. Turbina o 100-procentowej sprawności zatrzymałaby całkowicie przechodzący wiatr, ale jest to niemożliwe, bo nieruchome powietrze już by jej nie kręciło. Prawo Betza mówi, że żadna turbina wiatrowa nie może wykorzystać więcej niż 59,3% energii kinetycznej wiatru.
KĄT BETA SKRZYDŁA
W nowoczesnych turbinach jest on regulowany w zależności od prędkości wiatru. W tych prostszych, przy poświęceniu sprawności, skrzydła są zamocowane pod optymalnym kątem.
AERODYNAMIKA
Skrzydło jest obracane przez działające na nie siły aerodynamiczne. Powstają w wyniku nierównomiernego rozkładu sił nacisku i tarcia na powierzchni skrzydła, gdy przepływa nad nim powietrze. Siły te można podsumować jako siły nośne i siły oporu.