Wiatrak: definicja, budowa i zastosowania (młyny i turbiny wiatrowe)

Wiatrak — definicja, budowa i zastosowania: od tradycyjnych młynów po nowoczesne turbiny wiatrowe. Poznaj działanie i praktyczne wykorzystanie energii wiatru.

Wiatrak to rodzaj silnika roboczego, który zamienia energię wiatru na energię mechaniczną obrotową. Do przechwytywania tej energii wykorzystuje łopaty — tradycyjnie zwane żaglami lub po prostu łopatkami — osadzone na wirniku, który napędza dalej mechanizmy robocze lub generator.

Jak działa wiatrak

Podstawową zasadą pracy wiatraka są siły aerodynamiczne powstające na łopatach w zetknięciu z przepływem powietrza. W zależności od konstrukcji przeważa tu efekt siły nośnej (podobnie jak u skrzydeł samolotu) lub siły oporowej. Rotacja wirnika jest przekazywana poprzez wał i przekładnię do urządzenia napędzanego — dawniej do kamieni młyńskich, pomp czy pił, dziś najczęściej do generatora elektrycznego.

Budowa

Typowy wiatrak składa się z kilku podstawowych elementów:

• Łopaty (żagle) — przechwytują energię wiatru;
• Wirnik — zespół łopat zamocowany na piaście;
• Maszt lub wieża — podtrzymuje wirnik na wysokości, gdzie wiatr jest silniejszy i bardziej stabilny;
• Wał napędowy i przekładnia — przenoszą i dostosowują prędkość obrotową do odbiornika;
• Generator (w turbinach wiatrowych) lub mechanizm roboczy (w tradycyjnych młynach);
• Układ sterowania i hamulce — utrzymują optymalne ustawienie względem wiatru i zabezpieczają konstrukcję przy zbyt silnych podmuchach;
• Fundament i układy pomocnicze — zapewniają stabilność i zasilanie urządzeń pomocniczych.

Rodzaje wiatraków

Można wyróżnić dwie główne grupy:

• Tradycyjne młyny wiatrowe — używane przez wieki do mielenia ziarna, pompowania wody, piłowania drewna itp.; ich konstrukcja bywała bardzo zróżnicowana (np. młyny koźlaki, holenderskie wieżowe).
• Nowoczesne turbiny wiatrowe — z reguły o osi poziomej, służące głównie do wytwarzania energii elektrycznej. Inżynierowie często nazywają je turbinami wiatrowymi, natomiast w potocznym języku występuje też określenie młyny wiatrowe.

Wśród turbin występują też konstrukcje o osi pionowej, np. typy Darrieusa i Savoniusa, stosowane w szczególnych zastosowaniach.

Zastosowania

Energia wytwarzana przez wiatraki może być wykorzystywana na wiele sposobów. Tradycyjnie służyły one do:

• mielenia ziarna na mąkę do wyrobu chleba oraz przetwarzania przypraw (przypraw);
• pompowania wody — dla irygacji, zaopatrzenia w wodę pitną czy odwadniania terenów;
• piłowania drewna i innych prac warsztatowych.

Współcześnie głównym zastosowaniem dużych turbin wiatrowych jest produkcja energii elektrycznej — zasilanie sieci, magazynów energii lub bezpośrednio odbiorników przemysłowych. Dodatkowo wiatraki znajdują zastosowanie w małych instalacjach off-grid, stacjach telemetrycznych, systemach pomp wodnych czy do odsalania.

Historia

Wiatraki to urządzenia znane od stuleci. W starożytności i średniowieczu pojawiały się konstrukcje w Persji, Chinach i Europie. Przez wieki rozwijały się formy i zastosowania — od prostych młynów skrzydłowych po skomplikowane młyny wieżowe w Holandii, które odegrały ważną rolę w gospodarce i osuszaniu terenów.

Nowoczesne turbiny — cechy i parametry

Współczesne turbiny wiatrowe charakteryzują się dużą mocą, sięgającą od kilkunastu kilowatów w małych instalacjach do kilku megawatów w turbinach komercyjnych. Ważne parametry to:

• moc nominalna (wydajność przy określonej prędkości wiatru),
• kurba mocy (zależność mocy od prędkości wiatru),
• prędkość startowa i maksymalna,
• sprawność aerodynamiczna (ograniczona teoretycznie przez tzw. granicę Betza),
• wysokość wieży (wyższe wieże łapią silniejszy i bardziej stały wiatr).

Zalety i ograniczenia

Do zalet wiatraków należą: brak spalania paliw kopalnych podczas pracy, niski koszt eksploatacji po instalacji i szybkie tempo zwrotu inwestycji w sprzyjających warunkach wiatrowych. Ograniczenia to zmienność i nieprzewidywalność wiatru (konieczność magazynowania lub dyspozycji elastycznych źródeł energii), wpływ na krajobraz, hałas i potencjalne kolizje ptaków przy nieprawidłowo zaprojektowanych instalacjach.

Konserwacja i bezpieczeństwo

Regularne przeglądy, smarowanie łożysk, kontrola stanu łopat (wraz z naprawami oryginalnych powłok i naprawami strukturalnymi), sprawne układy hamowania oraz ochrona przed wyładowaniami atmosferycznymi to podstawowe działania zapewniające długą i bezpieczną eksploatację. Systemy sterowania i zabezpieczeń automatycznie zatrzymują turbinę przy zbyt silnym wietrze lub awarii.

Podsumowując, wiatrak — od prostego młyna po nowoczesną turbinę wiatrową — pozostaje istotnym elementem w historii technologii i współczesnej energetyce, oferując odnawialne źródło energii o szerokim spektrum zastosowań.

Historia

O organach napędzanych kołem wiatrowym pisał już w II wieku n.e. grecki inżynier Hero. Mogła to być pierwsza maszyna w historii, która wykorzystywała siłę wiatru. Wiatraki o pionowej osi były używane we wschodniej Persji (Sistar) do 60 r. n.e. Wiatraki o poziomej osi zostały wynalezione w północno-zachodniej Europie w latach 80-tych XI wieku. Jest to typ często używany do dziś.

Wczesna historia

Pierwsze wiatraki miały długie pionowe wały z łopatami w kształcie prostokąta. Istniały one w Persji w IX wieku. Istnieje opowieść o wiatraku i drugim kalifie Omarze (634 - 644 r. n.e.). Nie wiadomo, czy jest to historia prawdziwa. Wiatraki te były zbudowane z sześciu do dwunastu żagli. Żagle były pokryte matą trzcinową lub tkaniną. Różniły się one znacznie od wersji europejskich. Podobny typ wiatraka z pionowym wałem i prostokątnymi łopatami można również znaleźć w Chinach w XIII wieku. Były one używane do nawadniania.

Organy napędzane wiatrem Hero (rekonstrukcja)

Jak działają

Łopaty lub żagle wiatraka są obracane przez wiatr. Koła zębate i tryby sprawiają, że wał napędowy wewnątrz wiatraka obraca się. W wiatraku używanym do produkcji mąki, obraca on kamienie mielące. Gdy kamienie się obracają, miażdżą pszenicę (lub inne ziarno) pomiędzy nimi. W wiatraku służącym do pompowania wody, obrót wału napędowego powoduje ruch tłoka. Tłok może zasysać i wypychać wodę, gdy porusza się w górę i w dół. W wiatraku służącym do wytwarzania energii, wał napędowy jest połączony z wieloma kołami zębatymi. Zwiększa to prędkość i jest wykorzystywane do obracania generatora wytwarzającego energię elektryczną.

Koła zębate i tryby wewnątrz starego wiatraka

Wiatraki w kulturze i literaturze

W książce Miguela de Cervantesa "Don Kichot z La Manchy" jest ważna scena, w której Don Kichot atakuje wiatraki. Uważa je za brutalne olbrzymy. Z tego powodu La Mancha i jej wiatraki są sławne. Stąd też wzięło się wyrażenie "chylić czoła przed wiatrakami". Oznacza ono akt bezużyteczności. "Moulin Rouge" przetłumaczone bezpośrednio z francuskiego, oznacza Czerwony Wiatrak.

Hiszpańskie wiatraki w La Mancha.

Pytania i odpowiedzi

P: Co to jest wiatrak?

P: Jak można wykorzystać energię wytwarzaną przez wiatraki?

P: Jak inżynierowie nazywają nowoczesne maszyny wiatrowe?

P: W jaki sposób najczęściej wykorzystywano wiatraki przed nastaniem czasów nowożytnych?

P: Od jak dawna w historii stosuje się wiatraki?

P: Jak nazywają się łopatki w tradycyjnym młynie?

Szukaj według litery