Technika i gadżety

Podwójne wiatraki

• Technika i gadżety
• 2024 / 11 / 20

Energia wiatru doczekała się docenienia i powstaje coraz więcej projektów, które ją wykorzystują. Ale nie chodzi tylko o budowanie kolejnych farm wiatrowych i coraz większych wiatraków. Chociaż i tu widać duże postępy. Pisaliśmy już o rekordowych budowlach u wybrzeży Chin, które mają moc po 16 MW i mierzą ponad ćwierć kilometra wysokości. A ich nowoczesna konstrukcja pozwala na pracę nawet w czasie tajfunu.

Takie konstrukcje mają jednak swoje ograniczenia. Należy do nich mało znany problem ogromnych prędkości, z którymi poruszają się końcówki płatów wiatraka. Im większy wiatrak i dłuższe płaty, tym większa prędkość końcówek. W chińskich konstrukcjach mogą one przekraczać już 500 mil na godzinę (800 kilometrów na godzinę), a więc dwie trzecie prędkości dźwięku. Osiągnięcie prędkości dźwięku oznaczałoby rozerwanie płatów.

Dlatego powstają alternatywne konstrukcje, które wykorzystują energię wiatru w nieco inny sposób. Opisaliśmy już urządzenia, w których płaty popychane przez wiatr nie obracają się, ale oscylują. Zarówno tekst o tych urządzeniach, jak i o wielkich wiatrakach u wybrzeży Chin można znaleźć na naszej stronie internetowej abecadlo.com, w zakładce "W gazecie/Technika i Gadżety" pod tytułami: "Wiatraki, które się nie kręcą" oraz "Megawiatraki".

Dziś opiszemy kolejną niezwykłą konstrukcję, która jest inna od tradycyjnych wiatraków. Testuje ją norweska firma World Wide Wind (WWW). Konstrukcja przeznaczona jest do "zbierania" wiatru na morzu, bo tam też go jest najwięcej. Budowa ogromnych wiatraków na morzu jest jednak bardzo kosztowna, bo jej fundamenty muszą znajdować się w dnie morza. Na głębszych obszarach jest to oczywiście niepraktyczne, choć tam wiatry potrafią być jeszcze silniejsze.

Powstają już konstrukcje pływające, które do dna są jedynie zakotwiczone. W przypadku takiej niestabilnej budowli, nie tylko jej wznoszenie stanowi problem, ale także utrzymanie. Generator prądu wymaga konserwacji i ewentualnych napraw, a znajduje się na ogromnej wysokości. Jest ponadto ciężki, wymaga więc przeciwbalastu umieszczanego pod wodą pływającej konstrukcji.

To na razie tylko wizualizacja elektrowni World Wide Wind. Jej wiatraki wyglądają na połamane, ale dzięki przechyłowi, płaty wiatraka kręcą się wokół pionowego masztu, a generator znajduje się w jego podstawie.

---

Takiego problemu nie ma konstrukcja WWW. Płatów wiatraka nie umieszczono w niej w pionie, jak to jest w tradycyjnych urządzeniach. Oś wiatraka jest umieszczona w jego pionowym maszcie i wiatrak kręci się wokół niego. Dzięki temu, generator prądu znajduje się w podstawie konstrukcji. W czasie budowy nie trzeba go wynosić na dużą wysokość i nie stanowi on obciążenia na samym szczycie, destabilizując pływającą konstrukcję. A co być może najważniejsze, konserwacji i napraw generatora nie trzeba wykonywać na wysokości kilkuset metrów, na szczycie bujającego się masztu.

Oczywiście wiatraka nie można umieścić zupełnie w poziomie. Wiejący poziomo wzdłuż morza (czy ziemi) wiatr nie obracałby go. Naciskałby na płaty wiatraka z dwóch jego stron w tym samym kierunku, a więc w przeciwnych kierunkach obrotu wiatraka. Konstrukcja WWW radzi sobie z tym w ten sposób, że płaty wiatraka umieszczone są pod kątem w stosunku do poziomu morza. Wiejący wiatr powoduje wychylenie całej konstrukcji, jeszcze bardziej zwiększając ten kąt. W efekcie, płaty znajdują się w pozycji zbliżonej do pionu i działają jak w tradycyjnym wiatraku.

Nietypowa konstrukcja pozwoliła na jeszcze jedną innowację. Na jednym maszcie umieszczony jest nie jeden wiatrak, ale od razu dwa. W tradycyjnej konstrukcji jest to nierealne, bo wiatraki muszą znajdować się od siebie w pewnej odległości, aby jeden wiatrak nie "zabierał" wiatru drugiemu. Przy ich pionowym ustawieniu, na szczycie masztu musiałaby się znajdować długa pozioma oś, na końcach której umieszczone byłby dwa wiatraki. To czyniłoby całość ogromnie ciężką i skomplikowaną.

W konstrukcji WWW wiatraki kręcą się wokół masztu, który i tak jest wysoki. Można więc na nim umieścić dwa wiatraki w wystarczająco dużej od siebie odległości. Tym bardziej, że pracując na pochylonym maszcie i tak nie zabierają sobie wiatru, bo pracują na różnych wysokościach.

Jak to zwykle w technice bywa, jedna innowacja daje możliwości do tworzenia kolejnych. Tak samo jest w tym przypadku. Dzięki obecności dwóch wiatraków na jednej osi, do generowania prądu zastosowano nietypową prądnicę. Zwykle zbudowana jest ona z nieruchomego stojana i obracającego się w jego wnętrzu wirnika. Ruch tych elementów względem siebie powoduje indukcję elektromagnetyczną i generowanie prądu.

W konstrukcji WWW, w prądnicy obraca się także stojan (taka konstrukcja nie jest bynajmniej unikalna, bo znana jest także z innych zastosowań). Jeden wiatrak obraca wirnik, a drugi wiatrak obraca stojan w przeciwnym kierunku. Płaty obydwu wiatraków są bowiem tak ustawione, że wiatraki obracają się w przeciwnym kierunku. Dzięki temu obroty wirnika względem stojana są dwa razy szybsze niż w przypadku pojedynczego wiatraka.

Taka konstrukcja pozwala więc na generowanie większej mocy bez konieczności zwiększania szybkości obrotów wiatraka. Co jest bardzo ważne we wspomnianym kontekście ogromnych prędkości końcówek płata. Jak twierdzą przedstawiciele firmy World Wide Wind, ich konstrukcja umożliwia więc uzyskanie mocy z jednej konstrukcji, która jak dotąd nie była nawet przewidywana w najbliższej przyszłości w tradycyjnych wiatrakach.

Na razie ich projekt jest na etapie badań i testów na dużo mniejszą skalę. Zbudowany prototyp ma 62 stopy wysokości (19 m) i zaledwie 30 kilowatów mocy. Ale już w przyszłym roku ma powstać testowy wiatrak o mocy 1,5 megawata. W ciągu kilku następnych lat, firma planuje oferować już gotowy projekt. Do 2030 roku wiatraki WWW mają mieć moc 24 MW, a więc o połowę więcej niż największe obecnie turbiny. Norwedzy przewidują też możliwość budowania wedłuch ich technologii pływających masztów o wysokości aż 1312 stóp (400 m). Podwójny wiatrak umieszczony na takim maszcie może generować nawet 40 MW mocy.

W papierowym wydaniu "abecadła" piszemy też o wiatrakach, które w ogóle nie przypominają wiatraków. Ale mogą być instalowane w miastach, gdzie idealnie się sprawdzają.