Energia wiatrowa, znana również jako energia wiatru, to sposób na wykorzystanie wiatru i przekształcenie go w energię elektryczną. Średnia wydajność turbin wiatrowych waha się w granicach 35-45%.
Produkcja energii wiatrowej
Wiatr powstaje w atmosferze ziemskiej w wyniku różnic temperatur ziemi lokalnie lub w skali regionalnej i globalnej. Gdy ciepło się nagrzeje, unosi się, opuszczając miejsce o niskim ciśnieniu powietrza; powietrze z chłodniejszych regionów o wyższym ciśnieniu napływa, aby wyrównać ciśnienie powietrza.
Młyny i turbiny wiatrowe wykorzystują energię kinetyczną, czyli „energię ruchu”, która przemieszcza powietrze lub wiatr z jednego miejsca do drugiego i przekształca je w energię elektryczną. Turbiny wiatrowe stawiane są w wietrznych miejscach, dzięki czemu wiatr może poruszać łopatami turbin. Łopatki te obracają silnik, a koła zębate zwiększają obroty na tyle, aby wytworzyć energię elektryczną. Różne konstrukcje turbin są odpowiednie dla różnych warunków.
Efektywność wiatru i współczynnik wydajności wiatru
Efektywność wiatru to nie to samo, co współczynnik wydajności wiatru, o którym dyskutuje się, gdy ludzie myślą o efektywności energetycznej. Wind Watch wyjaśnia różnicę pomiędzy tymi dwoma zjawiskami.
Efektywność wiatru i jej ograniczenia
Efektywność wiatru to ilość energii kinetycznej wiatru, która jest przekształcana w energię mechaniczną i elektryczną. Prawa fizyki opisane przez Betz Limit mówią, że maksymalny teoretyczny limit wynosi 59,6%. Wiatr potrzebuje reszty energii, aby przedmuchać łopaty. To jest rzeczywiście dobre. Jeśli turbina uwięziłaby 100% energii, wiatr przestałby wiać, a łopaty turbiny nie mogłyby się obracać, aby wytworzyć energię elektryczną.
Jednak żadna maszyna nie jest obecnie w stanie przekształcić całości uwięzionych 59,6% energii kinetycznej z wiatru na energię elektryczną. Istnieją ograniczenia wynikające ze sposobu wytwarzania i projektowania generatorów, które dodatkowo zmniejszają ilość energii ostatecznie przekształcanej w moc. Jak wspomniano powyżej, średnia obecnie wynosi 35–45%. Według Wind Watch maksymalna wydajność przy szczytowej wydajności może osiągnąć 50%. Dokument rządu australijskiego (NSW) również potwierdza, że maksymalna wydajność wiatru, jaką można uzyskać, to 50% (str. 3).
Efektywność energetyczna nie różni się tak bardzo jak współczynnik mocy wiatru, który zależy w dużym stopniu od lokalizacji i warunków pogodowych.
Współczynnik siły wiatru
Współczynnik mocy wiatru to ilość energii wytwarzanej przez generator w porównaniu z tą, którą mógłby wyprodukować, gdyby działał przez cały czas z maksymalną wydajnością, według Green Tech Media. Współczynnik mocy wiatru różni się w zależności od miejsca i pory roku, nawet w przypadku tych samych turbin, ponieważ zależy od prędkości wiatru, jego gęstości i powierzchni omiatanej, która zależy od wielkości generatora. wskazuje Open EI. Współczynnik mocy wiatrowej można optymalizować wybierając miejsca, w których przez cały lub większą część roku panują idealne warunki wietrzne. Dlatego ważne jest, aby wziąć pod uwagę współczynnik wydajności wiatru i warunki na niego wpływające, aby zmaksymalizować moc wyjściową.
- Prędkość wiatruponiżej 30 mil na godzinę wytwarza niewielką ilość energii według Wind Watch. Nawet niewielki wzrost prędkości może przełożyć się na znaczny wzrost generowanej mocy według Open EI. Wytworzona energia elektryczna to sześcian prędkości wiatru, wyjaśnia Wind EIS.
- Gęstość powietrza jest większa w chłodniejszych regionach i na poziomie morza niż w górach. Według Open EI idealnymi miejscami o dużej gęstości wiatru są morza o niższych temperaturach. Jest to jeden z powodów ekspansji na dużą skalę morskiej energetyki wiatrowej.
- Większe i wyższe turbiny mogą wykorzystać większy wiatr wyżej nad ziemią i dzięki zwiększonemu rozpiętości ich łopat. Dlatego też względy ekonomiczne stają się tutaj ważne.
Współczynnik wydajności jest stale zwiększany dzięki udoskonalonej technologii. Według Green Tech Media turbiny wiatrowe zbudowane w 2014 roku osiągnęły współczynnik mocy na poziomie 41,2% w porównaniu do 31,2% dla turbin zbudowanych w latach 2004-2011. Jednak na współczynnik mocy wiatru wpływa nie tylko technologia, ale także sama dostępność wiatru. Tym samym w 2015 roku współczynnik mocy turbin był niższy od średniej z lat ubiegłych z powodu „suszy wiatrowej” – wyjaśnia Green Tech Media.
Porównanie z innymi źródłami zasilania
Efektywność energetyczna wiatru jest lepsza niż efektywność energetyczna węgla. Tylko 29-37% energii zawartej w węglu jest przetwarzane na energię elektryczną, a gaz ma prawie taką samą wydajność jak wiatr, ponieważ 32-50% energii zawartej w gazie można przekształcić na energię elektryczną.
Jednak według amerykańskiej Agencji Informacji o Energii (EIA) w 2016 r. paliwa kopalne radziły sobie lepiej niż energia wiatrowa w USA w 2016 r.
-
odnawialne vs fabryki Elektrownie węglowe w USA wykorzystywały 52,7% swojej mocy.
- Współczynnik wydajności elektrowni gazowych w USA wyniósł 56%.
- Według danych EIA dla paliw niekopalnych współczynnik wydajności energii jądrowej wyniósł 92,5%.
- Współczynnik wydajności elektrowni wodnej wyniósł 38%.
- Współczynnik mocy elektrowni wiatrowych wyniósł 34,7%.
Porównując moc wyjściową z różnych źródeł energii, lepiej jest wziąć pod uwagę nie tylko współczynnik wydajności, ale także ich efektywność energetyczną. To właśnie sprawia, że zwiększenie wytwarzania energii z wiatru jest konkurencyjne i wykonalne w porównaniu z paliwami kopalnymi, które również borykają się z problemami związanymi z zanieczyszczeniem, jakie powodują.
Przerywany wpływ na produkcję energii wiatrowej
Energia wiatrowa charakteryzuje się niestabilnością, ponieważ wiatr nie zawsze jest dostępny i może wiać z różną prędkością, co oznacza, że moc jest generowana na nierównym poziomie. Nieciągłość energii to zjawisko, w którym energia nie jest dostępna w sposób ciągły z powodu wielu czynników, na które ludzie nie mają wpływu. Dlatego istnieją różnice w podaży.
Rozwiązania problemów z przerwami
Ponieważ produkcja energii z turbin wiatrowych zmienia się z godziny na godzinę, a nawet z sekundy na sekundę, dostawcy energii muszą dysponować większymi rezerwami energii, aby sprostać i utrzymać stały poziom dostaw energii, wyjaśnia amerykański naukowiec. Przerywalność oznacza nie tylko niedobory, ale także okresy nadwyżek; to również zapewnia możliwe rozwiązanie. The American Scientist wyjaśnia, że wraz ze wzrostem liczby źródeł energii wiatrowej lokalne różnice w pogodzie i warunkach wiatrowych mogą zrównoważyć niedobory i nadmiary.
Ulepszone prognozy pogody i modelowanie ułatwiają także uwzględnienie nawet krótkoterminowych zmian w energii wiatrowej. Mieszanka źródeł jest również konieczna, aby wyrównać dobowe lub sezonowe różnice w produkcji energii wiatrowej.
Bez względu na okresowość, nowe farmy wiatrowe szeroko rozpowszechnione w całych Stanach Zjednoczonych faktycznie pomogły ustabilizować dostawy energii, szczególnie podczas ekstremalnych warunków pogodowych w Teksasie, według Clean Technica.
Koszt
W 2017 roku dziennik „The Independent” ogłosił, że produkcja energii z wiatru jest tańsza niż z paliw kopalnych. W 2017 r. wyprodukowanie megawatogodziny (MWh) kosztowało 50 dolarów. Wraz z ulepszaniem technologii koszty nadal spadają, co czyni ją bardziej atrakcyjną niż konwencjonalne, zanieczyszczające źródła energii. Stany Zjednoczone mają nadzieję pobudzić ten ruch, zapewniając zachęty rządowe, aby zwiększyć udział energii wiatrowej, która według EIA zapewniła 6% energii elektrycznej w 2016 r.
Wind EIS zauważa, że 80% kosztów to koszty kapitałowe związane z instalacją turbin, a 20% to koszty operacyjne. Ponieważ jednak nie wiążą się z tym żadne koszty paliwa i biorąc pod uwagę moc wytwarzaną w całym cyklu życia, energia wiatrowa jest konkurencyjna.
Energia bezemisyjna
Energia wiatrowa to jedna z bardziej efektywnych alternatyw dla energii z paliw kopalnych. Przewiduje się, że do 2050 r. 139 krajów, które obecnie zużywają 99% światowej energii, mogłoby korzystać w 100% z energii odnawialnej. Według raportu Światowego Forum z 2017 r. energia wiatrowa i słoneczna mogą łącznie dostarczyć aż 97% tej energii. Może to pomóc w powstrzymaniu wzrostu globalnego ocieplenia do poziomu poniżej 1,5°C. Niezależnie od tego, czy jest to farma wiatrowa na zboczu wzgórza, czy wzdłuż wybrzeża, technologia turbin wiatrowych oferuje znacznie wydajniejszy sposób wytwarzania użytecznej energii elektrycznej niż tradycyjne nieodnawialne źródła.
