Silniki wiatrowe

Wiatr jako źródło energii

      Silnik wiatrowy (wietrzny), nazywany też turbiną wiatrową, jest to silnik wirnikowy zamieniający energię kinetyczną wiatru na pracę mechaniczną. Ruchy powietrza są wywoływane różnicą ciśnień w różnych obszarach atmosfery, zmienną w czasie i przestrzeni. Te różnice ciśnień wynikają z kolei głównie z nierównomiernych i zmiennych dopływów i odpływów energii do atmosfery, związanych z nierównomiernym nagrzewaniem się i stygnięciem różnych obszarów Ziemi, w szczególności lądów i wód. Energia ruchów powietrza atmosferycznego pochodzi więc od energii promieniowania słonecznego.
Wiatrem nazywamy poziomy ruch powietrza atmosferycznego, przy czym dla pracy silników wietrznych mają znaczenie tylko wiatry dolne, wiejące blisko powierzchni ziemi. Mimo że globalna energia wiatrów jest bardzo duża i "nic nie kosztuje" to jednak jej praktyczne wykorzystanie jest trudne ze względu na małą koncentrację tej energii (przy większych mocach silników wymagałoby to budowy wielkich i kosztownych instalacji) oraz na małą powtarzalność wiatrów wodującą znaczną niepewność działania i częste zaniki energii dostarczanej przez silnik wietrzny. Rozróżniamy wiatry typowe dla pewnych szerokości geograficznych, wiejące praktycznie w sposób ciągły, oraz wiatry zmienne. Do pierwszych należą np. pasaty - wiatry wiejące w strefach podzwrotnikowych, oraz wiatry polarne - wiejące od biegunów. Polska leży w strefie wiatrów zmiennych. W pobliżu morza występują stałe wiatry, zwane bryzami, wiejące w dzień od strony morza ku lądowi, w nocy odwrotnie. W rejonach górskich wiatry wieją w dzień od gór ku równikowi, w nocy odwrotnie. Wiatry nieregularne, typowe dla naszej szerokości geograficznej, są związane z przesuwającymi się wyżami i niżami barometrycznymi. Z punktu widzenia możliwości wykorzystania energetycznego wiatr charakteryzują: kierunek, prędkość (nasilenie) i powtarzalność. Kierunek wiatru nosi nazwę tej strony świata, z której wiatr wieje. Rozróżnia się 16 kierunków wiatru, tworzących międzynarodową różę wiatrów ,cztery główne kierunki oznacza się dużymi literami: N (North)- północ, S (South) - południe, E (East) - wschód, W (West) - Zachód. Inne kierunki oznacza się symbolami złożonymi z oznaczeń kierunków głównych.


Schemat silnika wiatrowego

Budowa i zastosowanie silników wiatrowych

      Schemat typowego silnika wiatrowego pokazano na rys. Wirnik tworzą tu łopaty 1, które za pośrednictwem piasty są osadzone na wale 2. Wał obraca się w łożyskach umieszczonych w obudowie 3, w której mieści się też przekładnia zębata przenosząca napęd na wał pionowy 4. Wał ten napędza maszynę roboczą, zwykle prądnicę, umieszczoną często na dole. Razem z wałem i wirnikiem jest zmontowany ster kierunkowy 5.
Zapewnia on ustawienie się silnika "pod wiatr", tak aby płaszczyzna wirnika była prostopadła do prędkości wiatru, dzięki obrotowemu zamocowaniu wirnika i obudowy względem wieży. Widzimy. że silnik wiatrowy jest maszyną wirnikową, ściślej jednostopniową turbiną powietrzną, złożoną tylko z wieńca wirującego, bez obudowy i wieńców kierowniczych Silniki wiatrowe dzieli się zależnie od ich szybkobieżności, wyróżniając silniki wolnobieżne (Z < 1,5), średniobieżne (1,5 < Z < 3,5) oraz szybkobieżne (Z > 3,5).

Silniki wolnobieżne charakteryzują się dużą liczbą łopat wirnika, znacznym momentem obrotowym przy uruchamianiu oraz możliwością pracy przy małych prędkościach wiatru.
Silniki szybkobieżne mają wirniki o małej liczbie łopat (2 do 4), rozwijają mały moment obrotowy przy uruchamianiu oraz wymagają większych prędkości wiatru. Sprawność ich jest większa. Moc silników wiatrowych zawiera się w granicach od 50 W do 1000 kW i więcej. Stosowane są jako napęd urządzeń mechanicznych w rolnictwie, np. młynów, a szczególnie przy racji gruntów - do napędu pomp. Najszersze zastosowanie znajdują jako napęd prądnic elektrycznych, przy mniejszych mocach - prądnic prądu stałego do indywidualnego zasilania gospodarstwa na terenach nie zelektryfikowanych. W takim przypadku stosuje się też baterie akumulatorów dla wyrównania zmienności mocy strumienia wiatru. Silniki większej mocy napędzają prądnice prądu przemiennego, włączone do sieci energetycznej.


Wolnobieżny silnik wiatrowy


Szybkobieżny silnik wiatrowy