Energia wiatrowa co to jest i jak działa?

Energia wiatrowa stanowi istotny filar nowoczesnej energetyki i pozwala na pozyskiwanie energii elektrycznej bez emisji zanieczyszczeń, wykorzystując naturalne zasoby środowiska. To właśnie dzięki niej możliwa jest konwersja energii zawartej w ruchu powietrza w czystą energię elektryczną, odpowiadającą na globalne wyzwania związane z ochroną klimatu oraz ograniczeniem śladu węglowego. Poniżej przedstawiono kompleksową charakterystykę energii wiatrowej i precyzyjne wyjaśnienie jej funkcjonowania.

Definicja i pochodzenie energii wiatrowej

Energia wiatrowa to proces wytwarzania energii elektrycznej z energii kinetycznej wiatru za pomocą specjalnie zaprojektowanych turbin wiatrowych (wiatraków). Stanowi ona przykład odnawialnych źródeł energii, gdyż opiera się na naturalnych procesach zachodzących w przyrodzie bez zużycia paliw kopalnych i bez emisji szkodliwych związków do atmosfery [1][6].

Geneza tej energii znajduje się w zjawisku nierównomiernego nagrzewania powierzchni Ziemi przez Słońce. Powoduje to różnicę temperatur mas powietrza, co prowadzi do przemieszczania się powietrza i w konsekwencji powstania wiatrów. Szacuje się, że około 1% energii słonecznej docierającej do Ziemi zamienia się w energię wiatrów [3][6].

Jako technologia zeroemisyjna, energia wiatrowa nie tylko ogranicza negatywny wpływ energetyki na środowisko naturalne, ale również wspomaga realizację polityki klimatycznej zarówno na poziomie globalnym, jak i lokalnym [1].

Jak działa energia wiatrowa – podstawowe zasady

Podstawowym elementem każdej nowoczesnej elektrowni wiatrowej jest turbina wiatrowa, składająca się z wirnika, łopat oraz generatora. Energia wiatru zostaje wychwycona przez łopaty turbiny, które wprawiane są w ruch obrotowy. Następnie energia mechaniczna wynikająca z rotacji wirnika przekazywana jest do generatora, gdzie zamieniana jest na energię elektryczną [1][2][3].

Łopatki turbiny mają starannie zaprojektowany aerodynamiczny kształt, dzięki czemu efektywnie wykorzystują siłę wiatru. Prędkość wiatru stanowi kluczowy parametr decydujący o wydajności całego procesu – elektrownie wiatrowe mogą generować energię elektryczną, gdy wiatr osiąga prędkość od 4 do 25 m/s. Poniżej minimalnej wartości (cut-in) wynoszącej około 3-4 m/s turbina nie pracuje, natomiast powyżej 25 m/s system automatycznie się wyłącza celem ochrony przed uszkodzeniem [1][3][5].

Całość jest w pełni zautomatyzowana – systemy sterowania na bieżąco analizują prędkość i kierunek wiatru, dostosowując położenie łopat i gondoli, by maksymalnie wykorzystać dostępny potencjał wiatrowy [5].

Szczegółowa budowa i mechanika turbiny wiatrowej

Proces konwersji energii przebiega wieloetapowo. Przede wszystkim wiatr napędza łopaty turbiny, które obracają się wokół osi wirnika. Ruch obrotowy wirnika obsługującego zwykle trzy wytrzymałe łopaty ze wzmocnionego poliestrem włókna szklanego przekazywany jest przez napęd do przekładni mechanicznej [2][3].

Przekładnia zwiększa prędkość obrotową z poziomu ok. 15-30 obrotów na minutę (OM) do około 1500 OM, aby generator był w stanie skutecznie przetworzyć energię mechaniczną w energię elektryczną [3][8]. W generatorze energia mechaniczna zostaje ostatecznie przekształcona w prąd elektryczny, który poprzez transformatory i linie energetyczne jest przesyłany do odbiorców lub do sieci elektroenergetycznej [1].

Nad całością procesów czuwa sterownik, monitorujący na bieżąco wszystkie parametry pracy turbiny i warunki sieci elektroenergetycznej. W przypadku zbyt niskiej lub zbyt wysokiej prędkości wiatru, urządzenie automatycznie reguluje parametry pracy lub wyłącza się w celu zabezpieczenia systemu [5].

Warunki efektywnego działania elektrowni wiatrowych

Możliwości produkcji energii uzależnione są od zmiennych warunków atmosferycznych. Elektrownie wiatrowe działają w określonym zakresie prędkości wiatru: minimalnie od 3-4 m/s i maksymalnie do 25 m/s [1][3]. Gwałtowne zmiany siły wiatru powodują wahania mocy generowanej przez turbiny – zmiany te mogą występować zarówno w skali godzinowej, jak i sezonowej [6].

Jeśli wiatr ustanie lub jest zbyt słaby, wirnik zostaje zatrzymany, natomiast urządzenia infrastruktury towarzyszącej pobierają minimalną ilość energii z zewnętrznej sieci energetycznej w celu podtrzymania pracy najważniejszych systemów [5].

Ze względu na swoją zmienność, duże farmy wiatrowe wymagają wsparcia klasycznych elektrowni lub zaawansowanych systemów magazynowania energii takich jak elektrownie szczytowo-pompowe czy CAES, by zagwarantować ciągłość dostaw dla odbiorców [6].

Znaczenie energii wiatrowej oraz jej potencjał

Energia wiatrowa posiada jeden z najwyższych potencjałów energetycznych spośród odnawialnych źródeł energii. Całkowita moc możliwa do wykorzystania przez wiatr może sięgać nawet 900 TW, jednak obecne technologie pozwalają na praktyczne wykorzystanie tej energii jedynie w określonych lokalizacjach i przy sprzyjających warunkach pogodowych [6].

Zaletą tej technologii jest działanie bez udziału paliw kopalnych oraz wysoka automatyzacja procesu produkcji energii. Elektrownie wiatrowe aktywnie włączają się w światowe strategie dekarbonizacji i wykorzystywania energii odnawialnej, skutecznie wspierając transformację energetyczną [1].

Podsumowanie

Energia wiatrowa to sprawdzona, dojrzała i ekologiczna technologia wytwarzania prądu elektrycznego oparta na prostych zasadach przetwarzania energii kinetycznej mas powietrza na elektryczność. Zautomatyzowane systemy sterowania, zaawansowane mechanizmy techniczne i szerokie możliwości integracji z nowoczesną energetyką czynią z tej technologii jedno z głównych narzędzi zrównoważonej i czystej przyszłości energetycznej.

Źródła:

• [1] https://www.dbenergy.pl/baza-wiedzy/energetyka-wiatrowa
• [2] https://www.infor.pl/slownik/srodowisko/6074972,energia-wiatrowa.html
• [3] https://www.mae.com.pl/oferta-mae/baza-wiedzy/odnawialne-zrodla-energii/energia-sloneczna-2
• [5] https://ekoenergia.tauron.pl/elektrownie/energia-wiatrowa
• [6] https://pl.wikipedia.org/wiki/Energia_wiatru
• [8] https://www.igo.wroc.pl/images/Czasopisma/2023/GO_04_2023_3_15_21.pdf