Energia wiatru i fal

Energia wiatru i fal

Energia wody wielu rzek została wykorzystana przez człowieka do napędu turbin elektrycznych. Użytecznymi nośnikami energii są także wiatr, fale morskie i pływy. Z tych źródeł jednak znacznie trudniej uzyskać energię.

Już od VI wieku naszej ery Persowie mełli ziarno, używając młynów wiatrowych, czyli wiatraków. W przeciwieństwie do konstrukcji, które rozpowszechniły się w Europie, perskie wiatraki miały skrzydła poruszające się w płaszczyźnie poziomej na poziomym wale. Dolny koniec wału przytwierdzony był do kamienia młyńskiego, który rozcierał ziarno na mąkę.

Wczesne wiatraki europejskie były wiatrakami obrotowymi, czyli kozłowymi. Ustawienie takiego wiatraka można było zmienić stosownie do kierunku wiatru. Skrzydła poruszały się w płaszczyźnie niemal pionowej, a konstrukcja wiatraka była osadzona na centralnym słupie. Z tyłu wystawał długi drąg. Gdy zmieniał się kierunek wiatru, młynarz za pomocą tego drąga obracał wiatrak tak, aby znów łopaty skierowane były do wiatru.

W ciągu wielu lat pomysłowi młynarze wymyślili sposoby wykorzystania energii wiatru także do innych celów. Na przykład, dzięki systemowi przemyślnych przekładni, wiatrak podnosił worki z ziarnem. Holendrzy zaczęli używać wiatraków do osuszania terenów nadmorskich. Jeden z ich systemów składał się z wiatraka, który napędzał urządzenie przypominające koło wodne, wypompowujące wodę z nisko położonych terenów. Pomimo wszystkich zalet, wiatraki miały poważne wady. Ich działanie było uzależnione od pogody, więc w dni bezwietrzne i takie, gdy wiatr był bardzo silny wiatraki nie mogły pracować.

Pompy napędzane wiatrem

W niektórych krajach młyny wiatrowe są jeszcze powszechnie używane do mielenia zboża na mąkę. Karierę w niektórych regionach robią, napędzane wiatrem, pompy łopatowe, pompujące wodę ze studni, często bardzo głębokich. Tak dzieje się w Australii i RPA. Wydobytą wodę przechowuje się w zbudowanej obok wieży. Urządzenia te również zwie się powszechnie wiatrakami, lecz są to naprawdę silniki wiatrowe lub pompy wiatrowe. Typowy silnik wiatrowy tego rodzaju składa się z koła o średnicy około 4 m, z osadzonymi nań około dwudziestoma profilowanymi stalowymi łopatkami. Koło montowane jest w pozycji pionowej, na stalowej wieży o wysokości około 8 metrów, w ten sposób, że wirnik może obracać się również w płaszczyźnie poziomej, kierując się przodem do do wiatru. Do koła przymocowany jest od tyłu, na długim wysięgniku, statecznik, którego zadaniem jest właśnie odpowiednie orientowanie urządzenia względem prądu powietrza. Statecznik jest tak skonstruowany, że przy wietrze wiejącym z bardzo dużą prędkością ustawia koło odwrotnie, aby nie uległo zniszczeniu.

Elektrownie wiatrowe

Energia elektryczna uzyskana z wiatru jest ekologicznie czysta, gdyż jej wytworzenie nie pociąga za sobą spalania żadnego paliwa. Aby uzyskać 1MW (megawat) mocy, wirnik takiej turbiny powinien mieć średnicę około 50 metrów. Ponieważ duża konwencjonalna elektrownia ma moc sięgającą nawet gigawata tj. 1000MW, to jej zastąpienie wymagało by użycia nawet do 1000 takich generatorów wiatrowych. W niektórych krajach budowane są elektrownie wiatrowe, składające się z wielu ustawionych blisko siebie turbin. Jednak opinia publiczna bywa niekiedy nieprzychylna takim inwestycjom, gdyż szpecą one krajobraz. Dlatego też przyszłość elektrowni tego typu jest niepewna. Jednak niewielkie pojedyncze turbiny są doskonałym źródłem energii w miejscach oddalonych od centrów cywilizacyjnych, gdzie brak jest połączenia z krajową siecią energetyczną.

Koła i turbiny wodne

Koło wodne, historia którego sięga wstecz do I w. n.e., służyło wpierw do napędzania żaren w młynach. Dopiero około 1000 lat później ludzie zaczęli zaprzęgać wodę do innych zadań, a to przyczyniło się do rozwoju przemysłu właśnie w dolinach rzek, nadających się do energetycznego wykorzystania. Koła wodne napędzały miechy i ciężkie młoty w kuźniach, piły w tartakach i wiele innych urządzeń. Przemysł metalurgiczny, tekstylny i papierniczy we wczesnej fazie rozwoju był nierozwiązalnie związany z wodą, aż do czasu wynalezienia maszyny parowej w końcu XVIII w. Dziś ich nowoczesne odpowiedniki w postaci turbin wodnych z powodzeniem napędzają potężne generatory wielkich elektrowni wodnych, produkujących znaczne ilości energii elektrycznej. W niektórych krajach, przykładem Norwegia, większość energii wytwarzana jest właśnie w ten sposób.

Energia pływów

W swym dolnym biegu rzeki są leniwe, aby budować na nich elektrownie wodne. Alternatywne źródło energii mogą tam stanowić pływy morskie. Siła pływów, podobnie jak w zwykłej elektrowni wodnej, obraca turbiną, połączoną z generatorem. Jednak w niewielu tylko miejscach jest opłacalna, gdyż elektrownie te cechują się znikomą rentownością. Jedna z istniejących, położona jest we Francji nad rzeką Rance, ma moc zaledwie 100MW, czyli 10 części tego, co duża elektrownia węglowa.

Energia fal

Innym źródłem energii może być falowanie morza. Wielkie fale oceaniczne niosą za sobą naprawdę znaczne jej ilości, lecz problemem jest jej efektywne pozyskanie. Testuje się obecnie różne rozwiązania, zwykle znajdujące się w fazie eksperymentu. W jednym z eksperymentalnych urządzeń pływak poruszany jest w górę i w dół, w miarę falowania powierzchni wody. Ruch ten napędza pompę, która dostarcza wodę pod ciśnieniem na turbinę, zasilającą generator.

Niedawno na wyspie Islay w Szkocji wybudowano elektrownie, wykorzystującą energię fal morskich. Jej całkowita moc wynosi około 180kW. Działa na zasadzie oscylującego słupa wody. Wpół zanurzona, otwarta u dołu komora wypełniona jest do pewnej wysokości wodą, ponad którą znajduje się powietrze. Gdy fala przechodzi, podnosi się słup wody w komorze, co zmusza znajdujące się nad nim powietrze do przepływania na zewnątrz i do wewnątrz komory. Ten ruch powietrza napędza turbinę, połączoną z generatorem.