Wszyscy znamy tę sylwetkę. Trzy ostrza. Wysoka wieża na tle nieba. Obrót. To standardowy obraz energetyki wiatrowej. Ale ten projekt z osią poziomą to tylko jeden element znacznie bardziej złożonej układanki. Istnieją inne technologie. Inaczej wychwytują energię. Działają inaczej. Mogą przetrwać nawet w miejscach, w których tradycyjne turbiny nie mogą działać.
Historia energii wiatrowej to nie tylko kwestia efektywności. To kwestia adaptacji. Wiatr nie ma końca. Technologie się rozwijają. Musimy wyjść poza standardowy model, aby zobaczyć, co będzie dalej.
Dominacja osi poziomej
Bądźmy szczerzy: jesteśmy przyzwyczajeni do tego, co widzimy. Turbina wiatrowa o osi poziomej (HAWT) jest wszędzie. Dominuje w krajobrazie. Dlaczego? Ponieważ to działa. Opiera się na windzie.
Pomyśl o skrzydle samolotu. Powietrze porusza się po zakrzywionej powierzchni. Ciśnienie spada po jednej stronie. Skrzydło się podnosi. Łopatka turbiny wiatrowej robi to samo. Wiatr ją napiera. Wirnik się kręci. Ten ruch napędza generator. Albo pompę. W niektórych przypadkach bezpośrednio wykonuje pracę mechaniczną.
Jean-Luc Wingert, inżynier-konsultant specjalizujący się w energetyce i środowisku, zauważa znaczenie tej dominacji. Zauważa, że chociaż turbiny o osi poziomej są najpowszechniejsze, nie są jedyną opcją. Tak naprawdę przyjrzenie się alternatywnym rozwiązaniom pokazuje, jak elastyczna może być energia wiatrowa.
Po co patrzeć poza trzy ostrza?
Standardowa turbina jest wydajna. Ale ona nie jest idealna. Wymaga silnych i stałych wiatrów. Powinien być skierowany w stronę wiatru. Jest ciężka. Ona jest skomplikowana.
Inne projekty oferują rozwiązania tych problemów. Niektórzy pracują przy słabym wietrze. Niektóre są cichsze. Niektóre są tańsze w produkcji. Kluczem jest sposób, w jaki oddziałują one z prądami powietrza.
Przeciągnij a podnieś
Większość ludzi myśli o windzie. Ale jest też opór. Opór to siła tarcia o powietrze. Spadochron stawia opór. Anemometr kubkowy wykorzystuje opór. Wykorzystują go również niektóre turbiny wiatrowe. Są wolniejsi. Często są mniej skuteczne przy silnym wietrze. Ale zaczynają się obracać przy lekkim wietrze. Są prostsze. Mniej ruchomych części. Mniejsze wymagania konserwacyjne.
Oś pionowa
Następnie są turbiny wiatrowe o osi pionowej (VAWT). Oś jest pionowa. Ostrza obracają się wokół niego. Są podobne do ubijaczek do jajek. Albo gigantyczne miksery.
Maszyny te nie powinny być ustawione pod wiatr. Wiatr może wiać z dowolnego kierunku. To ogromna zaleta. W środowisku miejskim kierunek wiatru stale się zmienia. VAWT łapie go ze wszystkich stron. Można je umieścić bliżej ziemi. Są łatwiejsze w utrzymaniu.
Savoniusz i Daria
Istnieją dwa główne typy VAWT. Savonius używa oporu. Posiada wklęsłe ostrza. Jest trwały. Działa w przepływie turbulentnym. Daria korzysta z windy. Posiada zakrzywione ostrza. Jest szybszy. Jest bardziej wydajny. Wygląda elegancko. Ale potrzebuje mechanizmu, aby to uruchomić.
Inne innowacje
Na tym lista się nie kończy. Mamy latające latawce, które generują energię na niebie. Mamy turbiny w obudowie, które kierują wiatr przez owiewkę. Mamy konstrukcje spiralne, które redukują poziom hałasu. Posiadamy profile oscylacyjne imitujące pływanie ryb.
Każdy projekt ma swoje kompromisy. Efektywność. Cena. Trwałość. Hałas. Wybór
Turbiny wiatrowe Savonius działają na prostej zasadzie, która w porównaniu z nowoczesną technologią lotniczą wydaje się wręcz archaiczna. Opierają się raczej na oporze niż na unoszeniu. Wyobraź sobie, że wiatr pcha półkule przymocowane do pionowego wału. Te same zasady mechaniczne stosowane są w zabytkowych wiatrakach. Rezultatem jest niższa wydajność. W tym miejscu następuje utrata energii w porównaniu do konstrukcji korzystających z windy. Ale jest też kompromis. Maszyny te łapią nawet najsłabszy wiatr. Zaczynają się obracać, gdy inne pozostają nieruchome.
Dlaczego przestrzenie miejskie faworyzują projekty oparte na oporze
Życie w mieście wymaga ciszy. Wymaga efektywnego wykorzystania przestrzeni. Obydwa kryteria spełniają turbiny wiatrowe Savonius. Powierzchnia ich zabudowy jest niewielka. Nie górują nad obszarami mieszkalnymi, jak ich poziome odpowiedniki. Ponadto są znacznie cichsze. Zanieczyszczenie hałasem jest główną przeszkodą w realizacji miejskich projektów związanych z energią wiatrową. Ten projekt pozwala obejść ten problem.
„Ich powierzchnia zabudowana jest niewielka. Nie górują nad obszarami mieszkalnymi jak ich poziome odpowiedniki. Są też znacznie cichsze.”
Rzeczywistość produktywności
Nie oczekuj od nich mocy. Spodziewaj się stabilnego generatora o niskiej mocy wyjściowej. Produkcja energii jest niższa. Jednak w gęsto zaludnionym mieście, gdzie silne wiatry są rzadkie i blokowane przez budynki, ta niska moc może być wystarczająca. Działa tam, gdzie zawodzą tradycyjne turbiny. Przeżyje w chaotycznym, turbulentnym przepływie powietrza miejskiego kanionu.
Potencjał integracyjny
Do montażu na dachach lub do stosowania w małych obszarach mieszkalnych, typ Savonius oferuje praktyczne wejście do branży. Nie wymaga dużych otwartych przestrzeni. Nie wymaga skomplikowanych procedur konserwacyjnych związanych z szybkimi skrzyniami biegów. Po prostu się kręci. Powoli. Cichy. Stabilny.
Czy to przyszłość skali gridowej? Prawdopodobnie nie. Czy jest to realny element układanki dla zdecentralizowanego pokolenia miejskiego? Absolutnie. Technologia nie jest nowa. Prawdziwy potencjał kryje się w jego zastosowaniu na obszarach o dużym zagęszczeniu. Być może nie zobaczysz żadnych masywnych wież. Być może po prostu zobaczysz małe turbiny wirujące na balkonie sąsiada. Lub samodzielnie.
Przewaga pionowa generatorów wiatrowych Daria
To już nie są te same wiatraki, które miał twój dziadek. Generator wiatrowy Darieu wyróżnia się pionowymi łopatami, które mogą być paraboliczne lub spiralne.
Wykorzystują windę wiatrową podobnie jak standardowe turbiny o osi poziomej. Istnieje jednak zasadnicza różnica w sposobie ich dopasowania do otoczenia.
Ich ślad jest znacznie mniejszy.
Ta kompaktowa konstrukcja sprawia, że integracja z projektami krajobrazowymi i architektonicznymi jest znacznie mniej zauważalna. Można je umieszczać w ciasnych przestrzeniach miejskich, gdzie tradycyjne wieże wyglądałyby nie na miejscu.
„Ich mniejsza powierzchnia jest zaletą przy integracji z krajobrazem i architekturą.”
Nie chodzi tylko o efektywność. Chodzi o dopasowanie się do otoczenia.
Turbiny obrotowe z obracającymi się skrzydłami: wiatr żeglarski
Pomyśl o tym, jak żaglówka wykorzystuje wiatr. Nie stoi w miejscu, przyjmując podmuchy wiatru jak nieruchomy przedmiot. Poprawia żagle. Zmienia kąt. Dynamicznie oddziałuje z przepływem powietrza.
Teraz wyobraźcie sobie, że tę samą zdolność adaptacji zastosowano w przypadku energii wiatrowej.
W tym miejscu wchodzi w grę technologia obrotowych skrzydeł. To nie są standardowe giganty z trzema ostrzami. Działają na zasadzie bliższej lotnictwu niż tradycyjna energetyka wiatrowa. Kluczem jest dynamiczna orientacja ostrzy.
Większość z nas wie, że tradycyjne turbiny o osi poziomej mają stały skok łopatek. Odwracają się (odchylają) w stronę wiatru. Ale obrotowe skrzydła? Ciągle zmieniają swój kąt. Dzięki temu mogą pozyskiwać energię z silniejszych wiatrów na większych wysokościach, do których klasyczne turbiny po prostu nie są w stanie dotrzeć ani efektywnie wykorzystać.
System znacząco ogranicza emisję hałasu.
Dlaczego to jest ważne? Ponieważ hałas jest główną skargą dotyczącą farm wiatrowych. Dźwięk „shhh” wydawany przez ogromne ostrze przecinające powietrze jest wyraźny. Jest denerwujący. Obracające się skrzydła są cichsze. Mechanika rotacji nie tworzy tego samego potężnego boomu dźwiękowego.
Nie chodzi tylko o efektywność. To jest kwestia integracji. Jeśli możesz uzyskać więcej energii przy tej samej prędkości wiatru, wytwarzając jednocześnie mniej hałasu, możesz umieścić te rośliny bliżej skupisk ludności. Zmniejszasz czynnik „nie na moim podwórku”.
Technologia ta imituje zdolność żaglowca do halsowania i dostosowywania kursu. Przekształca wiatr z siły, którą należy znieść, w prąd, który należy kontrolować.
Nadal obserwujemy wczesne adopcje. Ale fizyka tutaj jest bez zarzutu. W miarę ulepszania systemów magazynowania energii rośnie zapotrzebowanie na stabilne, ciche źródła energii na dużych wysokościach.
Niebo jest pełne energii. Potrzebujemy tylko lepszych sposobów na uchwycenie tego bez budzenia sąsiadów.
Poza standardową turbiną: latające węże i pływające giganty
Większość ludzi myśli o energii wiatrowej jako o trzech masywnych białych ostrzach wirujących na tle błękitnego nieba. Ten obraz głęboko zakorzenił się w naszej pamięci, bo jest obowiązującą normą. Kiedy jednak odejdziemy od standardowych przemysłowych turbin wiatrowych, krajobraz energetyki wiatrowej stanie się znacznie bardziej niezwykły – i potencjalnie bardziej wydajny.
Nie chodzi tu tylko o drobne zmiany w kształcie ostrzy. Mówimy o całkowitej zmianie paradygmatu w sposobie wychwytywania energii kinetycznej z powietrza. Branża testuje obecnie prototypy, które całkowicie rezygnują z tradycyjnego modelu typu wieża i ostrze.
Powstanie latawców
Jeden z najczęściej wymienianych projektów „insolite” dotyczy węży. Tak, ze zwykłymi latawcami.
Firmy takie jak KitePower i Makani (przed jej upadkiem, chociaż technologia ta pozostaje wpływowa) badały projekty samolotów na uwięzi. Logika jest prosta, ale sprzeczna z intuicją. Po co budować masywną stalową wieżę, której transport i montaż kosztuje miliony dolarów, skoro można po prostu sprawić, że skrzydło zacznie latać?
„Latające latawce pozwalają nam zdobywać większe wysokości, gdzie wiatry są silniejsze i stabilniejsze, bez konieczności dźwigania ciężaru konstrukcji naziemnej.”
Systemy te działają poprzez wykonywanie ósemkowych kształtów. Prędkość poprzeczna latawca wytwarza większą siłę nośną i ciąg niż tradycyjna turbina przy podobnych prędkościach wiatru. Energia jest często generowana na ziemi, poprzez napięcie liny, a nie bezpośrednio na samym latawcu. To znacznie zmniejsza wagę latającego elementu.
Pływająca energetyka wiatrowa: dostęp do morza bez fundamentów
Następnie jest pływająca turbina wiatrowa.
Tradycyjne turbiny morskie wymagają sztywnych fundamentów wbitych głęboko w dno morskie. Ogranicza to ich zastosowanie do obszarów płytkich wód. Pływające turbiny zmieniają geografię energii wiatrowej. Instalowane są na platformach półzanurzalnych, bojach drzewcowych (fundamenty pływające jednorurowe) lub platformach z napiętymi linami cumowniczymi.
Ma to znaczenie, ponieważ ogromny odsetek najsilniejszych i najbardziej stałych wiatrów na świecie występuje w głębokich wodach przybrzeżnych. Jeśli nie będziemy mieli do niej dostępu, pozostawimy po sobie gigawaty czystej energii.
Projekty takie jak Hywind w Szkocji udowodniły wykonalność tej koncepcji. Turbiny przechylają się i toczą wraz z falami, ale zaawansowane systemy sterowania utrzymują wirnik w kierunku wiatru. Jest to skomplikowana inżynieria, ale otwiera nowe, ogromne obszary wytwarzania energii.
Dlaczego „niezwykłość” ma znaczenie?
Możesz zapytać, po co w ogóle zawracamy sobie głowę wężami i pływającymi gigantami, skoro standardowe turbiny działają dobrze.
Odpowiedź leży w kosztach i lokalizacji.
- Niższe koszty materiałów: Węże zużywają mniej materiałów. Nie ma wielkich betonowych wież. Nie ma skomplikowanej produkcji łopatek do masywnych wirników.
- Dostępność: Turbiny pływające można instalować na głębokich wodach z dala od linii brzegowych, unikając zanieczyszczenia wizualnego i lokalnego oporu.
- Wyższy stopień wykorzystania mocy zainstalowanej: Wiatr na dużych wysokościach (w przypadku latawców) i wiatr w głębinach oceanu (w przypadku instalacji pływających) są często bardziej stabilne niż wiatr na powierzchni.
Kontrola rzeczywistości
Technologie te nie są jeszcze gotowe do masowego wdrożenia.
Systemy latawców napotykają przeszkody regulacyjne dotyczące przestrzeni powietrznej. Kto lata latającym skrzydłem na wysokości 500 stóp? Unikanie kolizji to koszmar. A co z niezawodnością? Kable mogą pęknąć. Skrzydła mogą zawieść.
Turbiny pływające borykają się z problemami związanymi z korozją i zmęczeniem cum. Utrzymanie jest drogie i trudne. Nie można po prostu wezwać lokalnego technika, aby wspiął się na 100 metrów liny.
Ale potencjał jest niezaprzeczalny.
