Wydaje się, że każdego tygodnia, nowa innowacja generatora wiatrowego jest odsłonięta, czasami w blogach technologicznych, czasami w segmentach telewizyjnych, raz nawet na TED Talks. Wszystkie one twierdzą, że są lepsze niż kultowe, trójłopatkowe turbiny wiatrowe o poziomej osi obrotu, z którymi jesteśmy najbardziej zaznajomieni. Jaka jest więc najbardziej efektywna konstrukcja do przechwytywania energii wiatru? Jeśli każda konstrukcja byłaby poddana działaniu stałego źródła wiatru i każda miałaby taką samą powierzchnię (łopatek, cewek powietrznych lub innych komponentów), która z nich generowałaby najwięcej energii elektrycznej w tym samym przedziale czasu? Twierdzenia o wyższej wydajności alternatywnych technologii, którym towarzyszą prośby o inwestycje, powinny być traktowane bardzo sceptycznie.
Długa odpowiedź
Maksymalną potencjalną produkcję z danej ilości wiatru określa Prawo Betza (znane również jako Granica Betza). Betz obliczył, że maksymalna moc, jaką można uzyskać z wiatru, wynosi 59,3% jego całkowitej energii.
Trzyłopatkowe turbiny wiatrowe o poziomej osi obrotu
Turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu z aerodynamicznymi łopatami.turbiny wiatrowe o osi pionowej z łopatami aerodynamicznymi
Przewodowe, latające generatory wiatrowe (obecnie tylko prototypy i renderingi)
Generatory wiatrowe o poziomej osi obrotu.generatory wiatrowe o poziomej osi obrotu, różnych typów, bez elementu aerodynamicznego w łopatach
Generatory wiatrowe o osi pionowejaxis wind generators of various types such as the Savonius generator without aerodynamic blades
Różne urządzenia wyglądające jak silniki odrzutowe, lub silniki odrzutowe z dużymi lejkami, stożki z tłokami (Saphonian ) lub korkociągi
Wieże, które wykorzystują pasywne ogrzewanie słoneczne wokół swojej podstawy do wytworzenia silnych wiatrów płynących w górę wieży obok łopat turbin wiatrowych obracających się wewnątrz wieży
Jak się mają?
W chwili obecnej istnieje ponad 300 000 trójłopatowych turbin wiatrowych o poziomej osi obrotu, wytwarzających energię elektryczną. Są one zwycięską formą wytwarzania energii, ponieważ są najbardziej efektywne. Powody są łatwe do wyjaśnienia:
Aerodynamiczne łopatki dodać składnik siły związanej z podnoszenia do napędu łopatki szybciej. Jest to istotna przewaga nad wiatrakami, zarówno o osi poziomej jak i pionowej. Każda nawet odpowiednio zaprojektowana turbina wiatrowa z aerodynamicznymi łopatami zawsze wygeneruje więcej energii elektrycznej niż najlepszy generator bez aerodynamicznej siły nośnej jako składowej przechwytywania energii.
Łopaty w konstrukcji trójłopatowej zawsze lecą przez czyste powietrze. Turbulencje powstałe podczas przelotu poprzedniej łopaty są przenoszone pod wiatr do czasu, gdy kolejna łopata mija ten sam punkt. Turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu, czy to z łopatkami, czy w formie czystego oporu, lecą przez znaczny procent czasu w turbulentnym powietrzu. Czyste powietrze pozwala trójłopatkowym turbinom HAWT na uzyskanie znacznej przewagi.
Łopaty trójłopatkowej konstrukcji są zawsze ustawione pod optymalnym kątem w stosunku do nadciągającego wiatru. Turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu z łopatami aerodynamicznymi zmieniają kąt ustawienia łopat względem nadciągającego wiatru w sposób ciągły w trakcie ich obrotu i tylko część nawet najlepszych konstrukcji znajduje się pod optymalnym kątem w danym momencie. Ustawienie łopat turbin HAWT względem napływającego powietrza wymaga trywialnych ilości energii w porównaniu z tą zaletą. Generatory wiatrowe Savoniusa (nazwane tak na cześć fińskiego inżyniera, który w 1922 roku stworzył ich popularną odmianę) są jeszcze gorsze, gdyż w połowie swojej powierzchni wychwytują wiatr na wklęsłości, a na drugiej połowie zrzucają go na część wypukłą, co powoduje opór powietrza i dodatkowe turbulencje. (Przeanalizowałem potencjalną inwestycję małej firmy w mikrogenerację i zauważyłem, że wynalazca stworzył 5 „innowacji” wokół podstawowego założenia Savoniusa, które zmieniły go z taniej formy energii wystarczającej do niewielkich zastosowań irygacyjnych w bardzo drogą formę wytwarzania energii wystarczającej do niewielkich zastosowań irygacyjnych). Dla kontekstu, oto opłacalny wiatrak nawadniający Savoniusa zrobiony ze starej plastikowej beczki i kawałków drewna.
Trzy łopatki dobrze się skalują. Jedną z największych zalet jest to, że można umieścić bardzo duży zestaw łopat na bardzo wysokiej wieży i zebrać dużo wiatru powyżej punktu, w którym spowalnia on z powodu kontaktu z ziemią.
Zaproponowano wiele „innowacyjnych” projektów, które wykorzystują pewien rodzaj efektu Venturiego w połączeniu z wirnikami turbin, ale podstawowy problem polega na tym, że aby zebrać wystarczającą ilość wiatru, trzeba przeskalować powłokę zewnętrzną do punktu, w którym waga i koszty materiałowe stają się zaporowe. Zewnętrzna powłoka musi być skalowana co najmniej do kwadratu średnicy, a prawdopodobnie nawet więcej. Turbina wiatrowa o mocy 3 MW z 80-metrowymi łopatami może przechwycić część energii z 20,096 metrów kwadratowych powietrza. Powłoka Venturiego w tej skali miałaby obwód 251.2 metrów, prawdopodobnie musiałaby mieć co najmniej 10 metrów szerokości zanim zauważalne efekty zaczęłyby się pojawiać i ważyłaby bardzo dużo.
Inne „innowacyjne” projekty wykorzystują urządzenia przechwytujące wiatr – łopaty turbin w kształcie sterowca, ramy z turbinami, latawce z turbinami – do wiatru, który jest bardziej stały i wyższy od ziemi. Problem polega na tym, że ciągle napotykają one na ograniczenia skali. Generatory wiatrowe w kształcie balonów zaczynają mieć problemy ze sztywnością na długo przed osiągnięciem skali przemysłowej. Latawce z łopatami wymagają masywnych i bardzo długich kabli, aby wytrzymać działanie sił. Na ogół takie prototypy są bardzo interesujące i nigdy nie trafiają na rynek. Wszystkie one zaczynają wymagać masywnych instalacji naziemnych z wyjątkowo dużymi wciągarkami, gdy chcemy wytwarzać energię na skalę użytkową. Kiedy zaczynasz myśleć o poziomach siły pomnożonych przez kilometry kabla, zaczynasz zdawać sobie sprawę, że waga i koszt samego kabla stają się zaporowe przy każdym użytecznym poziomie generacji.
Trójpłatowce po prostu siedzą w jednym miejscu na dużym filarze kiedy generują elektryczność. Jest to bardzo wydajne, co jest jednym z powodów, dla których energia zużyta do ich budowy zwraca się szybciej niż w przypadku jakiejkolwiek innej formy wytwarzania energii elektrycznej. Jedna z farm wiatrowych w Australii w ciągu roku wygenerowała 302 razy więcej energii elektrycznej niż zużyto do ich uruchomienia, wyhamowania i skierowania na wiatr. Porównaj to z wymaganiami stawianymi latającej turbinie wiatrowej, która musi być holowana, gdy nie wieje wiatr, uruchamiana, gdy wiatr zaczyna wiać i ma ciężki kabel o potencjalnie kilometrowej długości dostosowany do regularnego maksymalizowania generacji.
Poniższy wykres pochodzi z książki E. Hau, Wind Turbines: Fundamentals, Technologies, Application, Economics. Springer. Niemcy. 2006. Nawet w tamtym czasie nie była to nowa wiadomość, a jedynie oczywiste stwierdzenie do umieszczenia w podręcznikach.
Wieża słoneczno-wiatrowa z łopatkami turbiny jest najbliższa bycia interesującą technologią, jednak konserwacja nigdy nie została zbadana. Turbiny są często wyobrażane jako ułożone w stosy po 3-7 lub więcej poziomo na długości wieży. Alternatywnie, znacznie mniejsze turbiny są rozmieszczone wokół podstawy wieży, wewnątrz tuneli prowadzących z rozległej tablicy szkła. Będą one pracowały przy bardzo gorącym wietrze, prawdopodobnie 45 stopni Celsjusza lub wyższym, z prędkością 50 km/h i wyższą. W efekcie urządzenie to jest piecem konwekcyjnym, który w krótkim czasie ugotowałby człowieka. Praca wewnątrz wieży wymagałaby kombinezonów chłodniczych i sprzętu do oddychania, o ile prędkość wiatru w ogóle by to umożliwiła. Wyciąganie głowicy turbiny lub łopat z wieży w celu ich serwisowania byłoby niezwykłą pracą. Zamknięcie wejścia wiatru wymagałoby zamknięcia bram o średnicy pięciu kilometrów.
Zobacz uważnie mój powiązany post Invest; „innowacje” w dziedzinie energii wiatrowej rzadko są koszerne, jeśli chodzi o pytania dotyczące każdego innowacyjnego kawałka generacji wiatrowej, zwłaszcza jeśli ktoś prosi cię o włożenie w to pieniędzy.
http://en.wikipedia.org/wiki/Betz’_law
Dlaczego turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu nie są bardziej popularne?
Czy powietrzne turbiny wiatrowe są wiarygodnym źródłem taniej energii?
http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-2019197/Arizona-solar-power-tower-worlds-2nd-tallest-building.html
http://www.energymatters.com.au/index.php?main_page=news_article&article_id=3325
Turbiny wiatrowe spłacają całkowity „dług” środowiskowy w mniej niż sześć miesięcy
http://www.gwec.net/global-figures/wind-in-numbers/
http://www.windpowerengineering.com/construction/simulation/seeing-the-unseeable-in-a-rotor-wake/
http://www.skysails.info/english/power/power-system/skysails-power-system/
Doskonały materiał Paula Gipe’a na temat ekonomiki wytwarzania energii wiatrowej
