Τι είναι η αιολική ενέργεια; Ορισμός και πώς λειτουργεί

Η αιολική ενέργεια είναι ηλεκτρική ενέργεια από τον φυσικό που ρέει αέρα στην ατμόσφαιρα της Γης. Ως ανανεώσιμος πόρος που δεν θα εξαντληθεί μέσω της χρήσης, ο αντίκτυπός της στο περιβάλλον και την κρίση του κλίματος είναι σημαντικά μικρότερη από την καύση ορυκτών καυσίμων.

Μπορούμε να δημιουργήσουμε την αιολική ενέργεια, ανεγέρνοντας κάτι τόσο απλό όσο ένα σύνολο από πανιά 8 ποδιών που τοποθετούνται για να συλλάβουν τους επικρατούσες ανέμους που μετατρέπουν μια πέτρα και αλέθουν κόκκους (ένας γροθιά). Ή, μια δομή αιολικής ενέργειας μπορεί να είναι τόσο περίπλοκη όσο ένα πτερύγιο 150 ποδιών που μετατρέπει μια γεννήτρια που παράγει ηλεκτρική ενέργεια που πρέπει να αποθηκεύεται σε μια μπαταρία ή να αναπτυχθεί σε ένα σύστημα διανομής ισχύος. Υπάρχουν ακόμη και ανεμογεννήτριες.

Από το 2021, πάνω από 67.000 ανεμογεννήτριες λειτουργούν στις Ηνωμένες Πολιτείες, σε 44 πολιτείες, Γκουάμ και Πουέρτο Ρίκο. Οι μηχανισμοί αιολικής ενέργειας δημιούργησαν περίπου το 8,4% της ηλεκτρικής ενέργειας στις ΗΠΑ το 2020. Παγκοσμίως, ο άνεμος παρέχει περίπου το 6% των αναγκών ηλεκτρικής ενέργειας στον κόσμο. Η αιολική ενέργεια αυξάνεται σε ετήσια βάση κατά περίπου 10% και αποτελεί βασικό μέρος της περισσότερης μείωσης της κλιματικής αλλαγής και των σχεδίων βιώσιμης ανάπτυξης σε διάφορες χώρες, όπως η Κίνα, η Ινδία, η Γερμανία και οι Ηνωμένες Πολιτείες.

Ορισμός αιολικής ενέργειας

Οι άνθρωποι χρησιμοποιούν την αιολική ενέργεια με πολλούς τρόπους, από το απλό (εξακολουθεί να χρησιμοποιείται για να αντλήσει νερό για τα ζώα σε πιο απομακρυσμένες τοποθεσίες) στις όλο και πιο πολύπλοκες – σκεφτείτε τις χιλιάδες στροβίλους που κυριαρχούν στους λόφους που κόβουν τον αυτοκινητόδρομο 580 στην Καλιφόρνια (απεικονίζεται παραπάνω).

Τα βασικά συστατικά οποιουδήποτε συστήματος αιολικής ενέργειας είναι αρκετά παρόμοια. Υπάρχουν πτερύγια κάποιου μεγέθους και σχήματος που συνδέονται με έναν άξονα κίνησης και μια αντλία ή μια γεννήτρια που χρησιμοποιεί ή συλλέγει την αιολική ενέργεια. Εάν η αιολική ενέργεια χρησιμοποιείται απευθείας ως μηχανική δύναμη, όπως φρεζάρισμα κόκκων ή νερό άντλησης, ονομάζεται ανεμόμυλος. Εάν μετατρέπει την αιολική ενέργεια στην ηλεκτρική ενέργεια, είναι γνωστή ως ανεμογεννήτρια. Ένα σύστημα στροβίλων απαιτεί πρόσθετα εξαρτήματα, όπως μια μπαταρία για αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας ή συνδέεται με ένα σύστημα διανομής ισχύος όπως οι γραμμές ηλεκτρικής ενέργειας.

Κανείς δεν ξέρει πότε ένας άνθρωπος εκμεταλλεύτηκε πρώτα τον άνεμο, αλλά η αιολική ενέργεια μετακόμισε σκάφη στον ποταμό Νείλο της Αιγύπτου περίπου 5.000 π.Χ. μέχρι το 200 π.Χ., οι άνθρωποι στην Κίνα χρησιμοποίησαν άνεμο για να τροφοδοτήσουν απλές αντλίες νερού και κατοίκους της Μέσης Ανατολής χρησιμοποίησαν ανεμόμυλους με χειροκίνητα πτερύγια για να αλέθουν κόκκους. Με την πάροδο του χρόνου, οι αντλίες και οι μύλοι του ανέμου βοήθησαν στην παραγωγή πολλών ειδών τροφίμων εκεί και η ιδέα εξαπλώθηκε στην Ευρώπη, όπου οι Ολλανδοί έχτισαν μεγάλες αντλίες ανέμου για να αποστραγγίσουν υγρότοποι – από εκεί η ιδέα ταξίδεψε στην Αμερική.

Βασικά στοιχεία αιολικής ενέργειας

Ο άνεμος εμφανίζεται φυσικά όταν ο ήλιος θερμαίνει την ατμόσφαιρα, μέσω παραλλαγών στην επιφάνεια της γης και από την περιστροφή του πλανήτη. Ο άνεμος μπορεί στη συνέχεια να αυξηθεί ή να μειωθεί λόγω της επίδρασης των υδάτων, των δασών, των λιβαδιών και άλλων αλλαγών και των αλλαγών ανύψωσης. Τα πρότυπα και οι ταχύτητες του ανέμου ποικίλλουν σημαντικά σε όλο το έδαφος και εποχικά, αλλά μερικά από αυτά τα πρότυπα είναι αρκετά προβλέψιμα για να σχεδιάσουν γύρω.

Επιλογή ιστότοπου

Οι κορυφές των στρογγυλεμένων λόφων, οι ανοιχτές πεδιάδες (ή το ανοιχτό νερό για τον υπεράκτιο άνεμο) και τα ορεινά περάσματα (όπου ο άνεμος είναι φυσικά διοχετεύεται, παράγοντας τακτικές υψηλές ταχύτητες ανέμου) είναι οι καλύτερες τοποθεσίες για να τοποθετηθούν μια ανεμογεννήτρια. Γενικά, όσο υψηλότερη είναι η ανύψωση τόσο το καλύτερο, καθώς τα υψηλότερα υψόμετρα έχουν συνήθως περισσότερο άνεμο.

Η πρόβλεψη της αιολικής ενέργειας είναι ένα σημαντικό εργαλείο για την τοποθέτηση μιας ανεμογεννήτριας. Διάφοροι Χάρτες ταχύτητας ανέμου και τα δεδομένα από την Εθνική Ωκεανική και Ατμοσφαιρική Διοίκηση (NOAA) ή το Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (NREL) στις ΗΠΑ παρέχουν αυτές τις λεπτομέρειες.

Κάποιος πρέπει να διεξάγει μια ειδική έρευνα για την αξιολόγηση των τοπικών συνθηκών ανέμου και να καθορίσει την καλύτερη κατεύθυνση για να τοποθετηθεί ανεμογεννήτριες για μέγιστη απόδοση. Όποιος σκοπεύει να χτίσει μια ανεμογεννήτρια θα πρέπει να παρακολουθεί την ταχύτητα του ανέμου, την αναταραχή, την κατεύθυνση, τις θερμοκρασίες του αέρα και την υγρασία στην επιθυμητή θέση, για τουλάχιστον ένα χρόνο. Μετά την αξιολόγηση αυτών των πληροφοριών, είναι ευκολότερο να κατασκευαστεί στρόβιλοι που θα παρέχουν προβλέψιμα αποτελέσματα.

Ο άνεμος δεν είναι ο μόνος παράγοντας για την τοποθέτηση στροβίλων. Οι προγραμματιστές για ένα αιολικό πάρκο πρέπει να εξετάσουν πόσο κοντά είναι το αγρόκτημα σε γραμμές μεταφοράς (και πόλεις που μπορούν να χρησιμοποιήσουν την ισχύ). πιθανή παρεμβολή στα τοπικά αεροδρόμια και επίπεδη κυκλοφορία · υποκείμενο βράχο και λάθη. τα μοτίβα πτήσης των πτηνών και των νυχτερίδων. και την επίδραση της τοπικής κοινότητας (θόρυβος και άλλα πιθανά αποτελέσματα).

Τα περισσότερα μεγαλύτερα έργα αιολικής ενέργειας έχουν σχεδιαστεί για να διαρκούν τουλάχιστον 20 χρόνια, αν όχι περισσότερο, επομένως αυτοί οι παράγοντες πρέπει να εξεταστούν μακροπρόθεσμα.

Τύποι αιολικής ενέργειας

Η αιολική ενέργεια της κλίμακας χρησιμότητας

Πρόκειται για έργα αιολικής ενέργειας μεγάλης κλίμακας που έχουν σχεδιαστεί για να χρησιμοποιηθούν ως πηγή ενέργειας για μια εταιρεία κοινής ωφέλειας. Είναι παρόμοια σε πεδίο εφαρμογής σε ένα εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας με καύση άνθρακα ή φυσικό αέριο, το οποίο μερικές φορές αντικαθιστούν ή συμπληρώνουν. Οι στρόβιλοι υπερβαίνουν τα 100 κιλοβάτ της ισχύος σε μέγεθος και συνήθως εγκαθίστανται σε ομάδες για να παρέχουν σημαντική ισχύ – αυτομάτως, αυτοί οι τύποι συστημάτων παρέχουν περίπου το 8,4% της συνολικής ενέργειας στις Ηνωμένες Πολιτείες.

Υπεράκτια αιολική ενέργεια

Αυτά είναι γενικά έργα αιολικής ενέργειας για κλίμακα που σχεδιάζονται στα ύδατα από τις παράκτιες περιοχές. Μπορούν να δημιουργήσουν τεράστια δύναμη κοντά σε μεγαλύτερες πόλεις (οι οποίες τείνουν να συσσωρεύονται πιο κοντά στην ακτή σε πολλές από τις Ηνωμένες Πολιτείες). Ο άνεμος φυσάει πιο σταθερά και έντονα σε υπεράκτιες περιοχές παρά στη γη, σύμφωνα με το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ. Με βάση τα δεδομένα και τους υπολογισμούς του οργανισμού, η δυνατότητα για υπεράκτια αιολική ενέργεια στις ΗΠΑ είναι πάνω από 2.000 gigawatts εξουσίας, η οποία είναι δύο φορές η παραγωγική ικανότητα όλων των αμερικανικών ηλεκτρικών σταθμών. Σε όλο τον κόσμο, η αιολική ενέργεια θα μπορούσε να παρέχει περισσότερες από 18 φορές αυτό που χρησιμοποιεί ο κόσμος, σύμφωνα με το Διεθνές Οργανισμό Ενέργειας.

Μικρή κλίμακα ή κατανεμημένη αιολική ενέργεια

Αυτός ο τύπος αιολικής ενέργειας είναι το αντίθετο από τα παραπάνω παραδείγματα. Αυτές είναι ανεμογεννήτριες που είναι μικρότερες σε φυσικό μέγεθος και χρησιμοποιούνται για την κάλυψη των ενεργειακών απαιτήσεων ενός συγκεκριμένου χώρου ή τοπικής περιοχής. Μερικές φορές, αυτοί οι στρόβιλοι συνδέονται με το μεγαλύτερο πλέγμα κατανομής ενέργειας και μερικές φορές είναι εκτός δικτύου. Θα δείτε αυτές τις μικρότερες εγκαταστάσεις (μέγεθος 5 χιλιομέτρων) σε οικιστικές ρυθμίσεις, όπου θα μπορούσαν να παρέχουν μερικές ή περισσότερες ανάγκες ενός σπιτιού, ανάλογα με τον καιρό και τις μεσαίες εκδόσεις (20 κιλοβάτ ή έτσι) σε βιομηχανικούς ή κοινοτικούς χώρους, όπου μπορεί να αποτελούν μέρος ενός ανανεώσιμου ενεργειακού συστήματος που περιλαμβάνει επίσης ηλιακή ενέργεια, γεωθετική ή άλλες πηγές ενέργειας.

Πώς λειτουργεί η αιολική ενέργεια;

Η λειτουργία μιας ανεμογεννήτριας είναι η χρήση λεπίδων με κάποιο σχήμα (που μπορεί να ποικίλει) για να πιάσει την κινητική ενέργεια του ανέμου. Καθώς ο άνεμος ρέει πάνω από τις λεπίδες, τα ανυψώνει, ακριβώς όπως σηκώνει ένα πανί για να σπρώξει μια βάρκα. Αυτή η ώθηση από τον άνεμο κάνει τις λεπίδες στρέφονται, μετακινώντας τον άξονα κίνησης με τον οποίο συνδέονται. Αυτός ο άξονας μετατρέπει στη συνέχεια μια αντλία κάποιου είδους – είτε μετακινεί άμεσα ένα κομμάτι πέτρας πάνω από κόκκους (ανεμόμυλοι) είτε πιέζοντας αυτή την ενέργεια σε μια γεννήτρια που δημιουργεί ηλεκτρική ενέργεια που μπορεί να χρησιμοποιηθεί αμέσως ή να αποθηκευτεί σε μια μπαταρία.

Η διαδικασία για ένα σύστημα δημιουργίας ηλεκτρικού ρεύματος (ανεμογεννήτρια) περιλαμβάνει τα παρακάτω βήματα:

Ο άνεμος σπρώχνει τις λεπίδες

Στην ιδανική περίπτωση, ένας ανεμόμυλος ή ανεμογεννήτρια βρίσκεται σε ένα μέρος με κανονικούς και συνεπείς ανέμους. Αυτή η κίνηση του αέρα σπρώχνει ειδικά σχεδιασμένες λεπίδες που επιτρέπουν στον άνεμο να τις ωθήσει όσο το δυνατόν πιο εύκολα. Οι λεπίδες μπορούν να σχεδιαστούν έτσι ώστε να ωθούνται προς τα πάνω ή προς τα κάτω της θέσης τους.

Η κινητική ενέργεια μετασχηματίζεται

Η κινητική ενέργεια είναι η ελεύθερη ενέργεια που προέρχεται από τον άνεμο. Για να μπορέσουμε να χρησιμοποιήσουμε ή να αποθηκεύσουμε αυτήν την ενέργεια, πρέπει να αλλάξει σε μια χρησιμοποιήσιμη μορφή εξουσίας. Η κινητική ενέργεια μετατρέπεται σε μηχανική ενέργεια όταν ο άνεμος συναντά τις λεπίδες ανεμόμυλου και τις ωθεί. Η κίνηση των λεπίδων στη συνέχεια μετατρέπει έναν άξονα κίνησης.

Δημιουργείται ηλεκτρική ενέργεια

Σε μια ανεμογεννήτρια, ένας περιστρεφόμενος άξονας κίνησης συνδέεται με ένα κιβώτιο ταχυτήτων που αυξάνει την ταχύτητα της περιστροφής κατά συντελεστή 100 – που με τη σειρά του περιστρέφει μια γεννήτρια. Ως εκ τούτου, τα γρανάζια καταλήγουν να γυρίζουν πολύ πιο γρήγορα από ό, τι οι λεπίδες που ωθούν από τον άνεμο. Μόλις αυτά τα γρανάζια φτάσουν σε μια αρκετά γρήγορη ταχύτητα, μπορούν να τροφοδοτήσουν μια γεννήτρια που παράγει ηλεκτρική ενέργεια.

Το κιβώτιο ταχυτήτων είναι το πιο ακριβό και βαρύ μέρος του στροβίλου και οι μηχανικοί εργάζονται σε άμεσες γεννήτριες μονάδων που μπορούν να λειτουργούν με χαμηλότερες ταχύτητες (έτσι δεν χρειάζονται κιβώτιο ταχυτήτων).

Ο μετασχηματιστής μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια

Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από τη γεννήτρια είναι ηλεκτρική ενέργεια 60 κύκλων (εναλλασσόμενο ρεύμα). Μπορεί να χρειαστεί ένας μετασχηματιστής για να μετατραπεί αυτό σε άλλο τύπο ηλεκτρικής ενέργειας, ανάλογα με τις τοπικές ανάγκες.

Η ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιείται ή αποθηκεύεται

Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από μια ανεμογεννήτρια μπορεί να χρησιμοποιηθεί στο χώρο (πιο πιθανό να είναι αληθές σε μικρά ή μεσαίου μεγέθους αιολικά έργα), θα μπορούσε να παραδοθεί σε γραμμές μεταφοράς για χρήση αμέσως ή θα μπορούσε να αποθηκευτεί σε μια μπαταρία.

Η πιο αποτελεσματική αποθήκευση της μπαταρίας είναι το κλειδί για τις εξελίξεις στην αιολική ενέργεια στο μέλλον. Η αυξημένη χωρητικότητα αποθήκευσης σημαίνει ότι στις ημέρες που ο άνεμος φυσάει λιγότερο, η αποθηκευμένη ηλεκτρική ενέργεια από τις ημέρες του Windier θα μπορούσε να το συμπληρώσει. Η μεταβλητότητα του ανέμου θα γίνει τότε λιγότερο εμπόδιο στην αξιόπιστη ηλεκτρική ενέργεια από τον άνεμο.

Τι είναι το αιολικό πάρκο;

Ένα αιολικό πάρκο είναι μια συλλογή από ανεμογεννήτριες που αποτελούν έναν τύπο μονάδας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, που παράγει ηλεκτρική ενέργεια από τον άνεμο. Δεν υπάρχει καμία επίσημη απαίτηση αριθμού για μια εγκατάσταση να θεωρηθεί αιολικό πάρκο, οπότε θα μπορούσε να περιλαμβάνει μερικές ή εκατοντάδες ανεμογεννήτριες που εργάζονται στην ίδια περιοχή, είτε σε γη είτε σε υπεράκτια.

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα αιολικής ενέργειας