9.1. Wytwarzanie energii z wiatru - proces konwersji

Transkrypt

1 Rozdział 9 Energia wiatru Rozdział 9 Energia wiatru Wiatr jest ruchem powietrza powstającym w wyniku różnic temperatur nagrzewanej przez słońce powierzchni ziemi. Na przykład na wybrzeżu w ciągu dnia powietrze nad lądem ogrzewa się szybciej, niż woda w morzu. Dlatego ruch powietrza odbywa się od morza do lądu, powodując powstanie bryzy morskiej. Nocą jednak powietrze znad gruntu ochładza się szybciej niż morze i płynie w odwrotnym kierunku, wywołując bryzę lądową. Najprostszej konstrukcji wiatrak składa się ze skrzydeł, które zamieniają energię wiatru na energię ruchu obrotowego (mechaniczną). Obracający się wał może być wykorzystany do mielenia ziarna lub pompowania wody z ziemi. Na suchych obszarach świata nadal stosuje się tego typu wiatraki - każdy podmuch wiatru pompuje wodę, która jest magazynowana w zbiorniku do późniejszego wykorzystania. Na Krecie wiatraki stosuje się nieprzerwanie od prawie 5000 lat (rycina 9.1). Rycina 9.1: Fotografia wiatraka na Krecie Współcześnie energia wiatru znajduje zastosowanie w produkcji prądu elektrycznego. W tym procesie energia kinetyczna wiatru jest przekształcana w energię ruchu obrotowego obracających się łopat, która następnie jest zamieniana w energię elektryczną przez generator znajdujący się za wałem obrotowym. Od lat 90-tych firmy energetyczne stosują tę technologię do budowy farm wiatrowych, składających się z wielkich urządzeń zwanych turbinami wiatrowymi, produkujących energię elektryczną dla domów, szkół, urzędów i fabryk. Dzisiejsze turbiny wiatrowe mogą mieć wygląd małych wiatraków o wysokości do 1m, stosowanych w domu, bądź bardzo dużych maszyn przyłączonych bezpośrednio do sieci elektrycznej, stawianych pojedynczo lub w grupach, zwanych farmami wiatrowymi. Rycina 9.2: Mała turbina wiatrowa (mikroturbina wiatrowa Swift, źródło Renewable Devices) 9.1. Wytwarzanie energii z wiatru - proces konwersji W latach 50-tych szerokie, żaglowe skrzydła wiatraków zostały zastąpione sztywnymi płatami (przypominającymi skrzydła samolotu), które znacznie wydajniej wychwytują wiatr, ponieważ cechuje je korzystniejszy stosunek działającej siły do oporów ruchu. Proces przebiega w podobny sposób we wszystkich turbinach. Turbina wiatrowa pracuje odwrotnie do wiatraka chłodzącego pomieszczenie. Ten ostatni pobiera prąd i wytwarza podmuch powietrza, natomiast turbina wykorzystuje wiatr do produkcji energii elektrycznej. Poruszające się powietrze (wiatr) wprawia w ruch płaty (których kształt sprawia, że działająca siła przewyższa opory ruchu, co wywołuje obrót wirnika wokół osi), a te powodują ruch obrotowy wału podłączonego do generatora produkującego prąd (ryc. 9.3). Energia elektryczna jest przesyłana przez sieć przewodów dystrybucyjnych do podstacji i dalej do budynków mieszkalnych, publicznych i szkół. Rycina 9.3: Duża turbina wiatrowa By zapewnić urządzeniu odpowiednią ilość wiatru, turbinę umieszcza się na wysokiej wieży (maszcie) tak, by wirnik był skierowany w stronę, z której wieją najsilniejsze i najbardziej stałe wiatry. Przekładnia i stycznik turbiny zapewniają dopływ do sieci energii elektrycznej o odpowiedniej częstotliwości (50 Hz) i napięciu (230 V), niezależnie od zmian prędkości wiatru. Stycznik pozostaje włączony do chwili, kiedy turbina nie może wytworzyć wystarczającej ilości energii z wiatru. Wtedy wyłącza się, pozwalając wirnikowi swobodnie się obracać.

2 Kiedy zmienia się kierunek wiatru, turbina także musi zmienić położenie i ustawić się w odpowiednią stronę. W dużych turbinach zmiana kierunku dokonywana jest przez silniki elektryczne, natomiast w bardzo małych turbinach dzieje się to w sposób bierny i odpowiadają za to wiatrowskazy znajdujące się w tylnej części urządzenia (rycina 9.2). 9.2 Charakterystyka konstrukcji turbin wiatrowych Podstawowe parametry konstrukcyjne turbin to: liczba płatów; trzy są optymalne dla zrównoważenia wirnika długość płatów; moc turbiny wzrasta z powierzchnią zagarnianego powietrza (tj. z kwadratem długości) położenie płatów względem wieży; niemal zawsze płaty są osadzone na wirniku po nawietrznej stronie masztu, dzięki czemu nie są zasłonięte od wiatru. Poniższy schemat przedstawia niektóre elementy wewnętrznego mechanizmu turbiny wiatrowej: Rycina 9.4: Mechanizm turbiny wiatrowej zauważ, że płaty tej turbiny są umieszczone po nawietrznej stronie masztu. Źródło: Alliant Kids Energy Prędkość końców łopat jest zwykle stała, zatem im większa turbina, tym wolniej obraca się trzon wirnika. Z kolei prędkość obrotu małych turbin, do wysokości 3 m, jest wystarczająco szybka do uzyskania częstotliwości prądu sieci elektrycznej bez potrzeby pośredniczącej przekładni zębatej. 9.3 Rodzaje mikroturbin wiatrowych Turbiny o pionowej i poziomej osi obrotu Istnieją dwie główne klasy turbin wiatrowych, których płaty obracają się w innym kierunku, czyli wokół innych osi: o poziomej osi obrotu (np. London Eye lub tradycyjny holenderski wiatrak) oraz o pionowej osi obrotu (niczym karuzela). b) a) Rycina 9.5: a) turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu (Quite Revolution 5), źródło: XC02 Low Carbon Engineering b) turbina wiatrowa o poziomej osi obrotu (Proven WT6000), źródło: Proven Energy 2

3 9.4 Wielkość instalacji wiatrowych Rodział 9 Energia wiatru Małe turbiny wykorzystuje się do ładowania akumulatorów, produkcji prądu elektrycznego dla budynków mieszkalnych, szkół i obiektów publicznych. Turbiny te zwykle mają wysokość 1-15 m i wytwarzają energię elektryczną o mocy od 100W do 5 kw (5000 W). Najmniejsze z tych instalacji stosowane są do ładowania akumulatorów lub zasilania oświetlenia ulicznego. Nieco większe, np. o mocy 500 W, stosuje się do ładowania dużych akumulatorów używanych w przyczepach kempingowych i na łodziach. Dla przeciętnego budynku mieszkalnego najoptymalniejsze są turbiny o mocy 1-2,5 kw i wielkości małego człowieka. Są one zwykle umieszczane na budynkach, które zasilają (turbiny zintegrowane). Instalacje produkujące energię na większą skalę są wykorzystywane przez szkoły i inne budynki publiczne. Zwykle montowane są na masztach, w pewnej odległości od budynków. Instalacje niezależne (wolno-stojące) oraz połączone w sieć Małoskalowa elektrownia wiatrowa jest dobrym rozwiązaniem dla wytwarzania energii elektrycznej w miejscach, gdzie jej dostarczanie przez sieć przewodów jest kosztowne (np. krajowa sieć energetyczna w Wielkiej Brytanii). Ma to miejsce na przykład na daleko położonych obszarach (małe wyspy), które nie są przyłączone do sieci krajowej. Te pozasieciowe systemy do magazynowania wytworzonej energii potrzebują akumulatorów i często są połączone z generatorami spalinowymi (na ropę), które dostarczają energii, gdy wiatr wieje z niską prędkością. Systemy wiatrowe mogą także być stosowane tam, gdzie istnieje dostęp do sieci krajowej; w tym przypadku nie są potrzebne akumulatory. Niewykorzystana energia elektryczna może być przekazana do sieci i sprzedana przedsiębiorstwom energetycznym. Zysk ze sprzedaży pokrywa część kosztów budowy turbiny. 3

4 Ćwiczenie 9.1a (7-11) Wykonaj i przetestuj swoją własną turbinę wiatrową Co wywołuje obrót łopat turbiny wiatrowej? W tym ćwiczeniu przyjrzymy się, jak obracają się płaty turbiny pod wpływem wiatru. Zadania: Dla każdego z 3 testów turbiny wiatrowej odpowiedz na pytanie 1 przed przeprowadzeniem testu. Po przeprowadzeniu testu postaraj się odpowiedzieć na pytania 2 i 3 (zapisz swoje odpowiedzi na osobnej kartce papieru lub w zeszycie). Pyt. 1: Jak sądzisz, co stanie się po dmuchnięciu powietrzem na płaty? Wykonaj test: Pyt. 2: Co się stało? Pyt. 3: Jak to wyjaśnisz? Rycina 9.5. Przeprowadź testy 1 i 3 jak zalecono wyżej (ćwiczenie 9.1a) 4

5 Uwagi dla nauczyciela (9.1a 7-11) Kontekst: Konstrukcja łopat, w szczególności ich ustawienie (skręt), ma znaczenie dla wydajności działania turbiny. To ćwiczenie pokazuje, w jaki sposób ustawienie płatów może wpływać na konstrukcję turbin wiatrowych. Cel ćwiczenia: 1. Skonstruować działający mechanizm wirnika i płatów 2. Dowiedzieć się, że ruch obrotowy wirnika odbywa się dzięki odpowiedniemu ustawieniu płatów. Materiały: suszarka do włosów, piasta, kołki, plastik falisty, koralik, patyk, drut do robótek ręcznych. Instrukcje: 1. Należy zademonstrować uczniom, w jaki sposób wykonać mechanizm wirnika i płatów posługując się rysunkiem polecić im skonstruować własną turbinę. 2. Ustaw płaty jak do testu 1 (równolegle do strumienia powietrza), odpowiedz na pyt. 1, wykonaj test 1, a następnie odpowiedz na pyt. 2 i 3 na podstawie obserwacji. 3. Uczniowie wykonują test Uczniowie wykonują test 3. W celu sprawdzenia, czy uczniowie zrozumieli, że ustawienie płatów powoduje ruch obrotowy pod wpływem wiatru, poproś, by ustawili je tak, aby obracały się w przeciwnym kierunku. ALBO Zapytaj, dlaczego łopaty prawdziwej turbiny wiatrowej są ustawiane równolegle do wiatru gdy turbina zatrzymywana jest dla celów konserwacyjnych. Słowa kluczowe: energia odnawialna, napęd wiatrowy Umiejętności: dostrzegania związków przyczynowo-skutkowych, testowania pomysłów za pomocą własnych obserwacji i pomiarów, wyciągania wniosków na podstawie obserwacji, posługiwania się wiedzą do wyjaśniania obserwowanych zjawisk. Przedmioty w krajowym programie nauczania: naukowe Zakres wiekowy: 7-11 lat, Etap kluczowy 2 5

6 Ćwiczenie 9.1b (11-16) Wykonaj i przetestuj swoją własną turbinę wiatrową W jaki sposób skonstruować i przetestować najprostszą turbinę wiatrową generującą energię elektryczną? W tym ćwiczeniu przyjrzymy się, jak ustawienie płatów turbiny wpływa na wytwarzanie prądu elektrycznego. Zadania: Zbierz materiały: Płaty plastiku falistego, zaciski szczękowe, piasta, amperomierz, silniczek, kołki, bloczek. Zmontuj turbinę w następujący sposób: 1. Nałóż bloczek na oś silniczka. 2. Wciśnij 2, 3, 4 lub 8 kołków o długości 50mm w brzegi piasty (ryc. 9.8a) 3. Umocuj płaty z materiału falistego na kołkach - powinny być ściśle dopasowane (ryc. 9.8b) 4. Przyłącz piastę i płaty do bloczka, a następnie do silniczka (ryc. 9.8c) 5. Podłącz miernik (lub amperomierz) do silnika za pomocą zacisków szczękowych. Twoja turbina powinna teraz wyglądać tak jak na powyższym rysunku; zwróć uwagę, że łopaty są nieco przekręcone (ryc. 9.8d) 6. Weź turbinę i przetestuj ją na zewnątrz. Zauważ, że silnik porusza się tylko w jedną stronę. Jeśli wirnik się nie obraca, zamień zaciski. 7. Zapisz odczyt (w amperach) z miernika (amperomierza), ustaw kąt skrętu płatów i ponownie zmierz natężenie. Czy jest różnica? 6

7 Uwagi dla nauczyciela (9.1c 11-16) Kontekst: Konstrukcja łopat, w szczególności ich ustawienie w osi pionowej, ma znaczenie dla wydajności turbiny. Ćwiczenie pokazuje, w jaki sposób ustawienie płatów może wpływać na produkcję energii elektrycznej przez turbinę wiatrową. Cel: Ćwiczenie pokaże wykonanie prostej, ale skutecznej turbiny wiatrowej z użyciem niewielkiej ilości tanich materiałów. Po zakończeniu ćwiczenia turbinę można rozłożyć, a użyte elementy wykorzystać ponownie. Materiały: piasty, silniczki, bloczek, plastik falowany (4mm), suszarka do włosów, kołki 4,75mm, miernik lub amperomierz o czułości umożliwiającej wykrycie małych natężeń. Instrukcje: 1. Wyjaśnij konstrukcję modelu turbiny wiatrowej. 2. Uczniowie składają turbinę. 3. Poproś uczniów o zanotowanie, jaki prąd generowany jest przez turbinę przy płatach ustawionych pod różnymi kątami. Ćwiczenia dodatkowe (14-16 lat): skonstruuj mocne maszty do zamontowania turbin. przedyskutuj potencjalne zastosowania tanich turbin zbudowanych z najprostszych materiałów w krajach rozwijających się (np. w rolnictwie, przy pompowaniu wody do nawadniania). przedyskutuj, czy ustawienie płatów ma wpływ na kierunek obrotu wirnika. przedyskutuj, czy ustawienie płatów ma znaczenie dla wprawienia wirnika w ruch. Rycina 9.9. Model turbiny wiatrowej podłączonej do miernika (z funkcją amperomierza); źródło: Hydro Tasmania Słowa kluczowe: energia odnawialna, napęd wiatrowy Umiejętności: testowania pomysłów za pomocą własnych obserwacji i pomiarów, wyciągania wniosków na podstawie obserwacji, posługiwania się wiedzą do wyjaśniania obserwowanych zjawisk Przedmioty w krajowym programie nauczania: naukowe, projektowo-techniczne Zakres wiekowy: lat, Etap kluczowy 3-4 7

8 Ćwiczenie 9.2 Co kształtuje wydajność turbin wiatrowych? Zbadaj wydajność pracy turbiny. W tym ćwiczeniu określimy, jakie czynniki wpływają na ruch turbiny wiatrowej. Zadania: Wybierz czynnik, który może decydować o sposobie obrotu płatów turbiny (np. wielkość płatów) i odpowiedz na poniższe pytania: Czynnik, który chcemy przebadać, to: Będziemy modyfikować jego wpływ poprzez:. Potrzebujemy następujących narzędzi:.. Zadbamy o bezpieczeństwo przez: Spodziewamy się:... Za pomocą turbiny wiatrowej, którą wykonałeś w ćwiczeniu 1a przeprowadź testy, które opisałeś powyżej i przedyskutuj, co dzieje się podczas zmiany badanego czynnika. Napisz, co dokładnie się dzieje i dlaczego:..... Rycina Model turbiny wiatrowej (ćwiczenie 9.1b) 8

9 Uwagi dla nauczyciela Kontekst: Rozmiar, kształt i ustawienie płatów turbiny wpływają na jej wydajność. Ćwiczenie pokazuje bliżej, jakie czynniki decydują o konstrukcji płatów, i jak ich budowa wpływa na wydajność turbiny. Celem ćwiczenia jest: 1. Uświadomienie uczniom, że modyfikacja czynnika zmienia wydajność pracy obrotowej łopat. 2. Przekazanie pojęcia rzetelnych badań. Materiały: piasta, kołki, ośka (drut do robótek ręcznych), piłka do metalu, urządzenie do pomiaru czasu, karton, plastik falowany, papier, plastik zwykły. Instrukcje: Czynnikami wpływającymi na pracę turbiny mogą być wielkość, kształt, kąt skręcenia, liczba płatów i inne wskazane przez ucznia. Dane można zapisywać w postaci stwierdzeń, tabel, wykresów słupkowych. Uczniowie powinni zliczać liczbę obrotów w ciągu pewnego okresu czasu. By to ułatwić, można oznakować jeden z płatów, np. innym kolorem. Słowa kluczowe: energia odnawialna, napęd wiatrowy Umiejętności: wyszukiwania związków przyczynowo-skutkowych, testowania pomysłów za pomocą własnych obserwacji i pomiarów, wyciągania wniosków na podstawie obserwacji, posługiwania się wiedzą do wyjaśniania obserwowanych zjawisk Przedmioty w krajowym programie nauczania: naukowe Zakres wiekowy: 7-11 lat, Etap kluczowy 2 9

10 Ćwiczenie 9.3 Jaka jest optymalna liczba płatów? Po zbudowaniu i przetestowaniu turbiny nadszedł czas na zbadanie, ile łopat turbiny pozwala wygenerować największą ilość energii elektrycznej. Zadania: Posługując się turbiną skonstruowaną w ćwiczeniu 9.1, miernikiem (lub woltomierzem) oraz suszarką do włosów: 1. Ustaw turbinę i podłącz ją do miernika (woltomierza), umieszczając suszarkę do włosów w znanej odległości. 2. Umieść 2 płaty po przeciwnych stronach głowicy tak, by były się równoważyły. Sprawdź, czy są skręcone w tę samą stronę i w takim samym stopniu. 3. Zmierz największą wartość napięcia wytwarzanego przez turbinę po włączeniu suszarki. W tabelce wpisz liczbę płatów i napięcie. 4. Powtórz czynności 1, 2 i 3 dla 3, 4, 6, 9, i 12 płatów. Zapisz, jaka liczba łopat daje największe napięcie. 5. Czy jest to zgodne z twoimi przewidywaniami? Spróbuj wyjaśnić, dlaczego wyniki są zgodne (lub niezgodne) ze spodziewanymi. 6. Przedstaw wyniki w postaci wykresu punktowego. Uwagi dla nauczyciela (9.1d 11-16) Kontekst: Liczba płatów w turbinie ma wpływ na jej wydajność. Ćwiczenie pokazuje, jak ustawienie płatów wpływa na ilość energii elektrycznej produkowanej przez turbiny wiatrowe. Cel: Pokazanie, jak liczba płatów turbiny wpływa na ilość energii elektrycznej produkowanej przez urządzenie (mierzonej w postaci napięcia elektrycznego lub woltach). Materiały: Turbina skonstruowana w ćwiczeniu 9.1c, suszarka do włosów, miernik lub woltomierz. Instrukcje: 1. Poproś uczniów, by podłączyli turbinę do miernika (woltomierza), a suszarkę umieścili w odmierzonej odległości. 2. Spytaj uczniów, ile płatów pozwoli otrzymać przepływ prądu elektrycznego (w woltach) 3. Poleć wykonanie testów i zmierzenie najwyższego napięcia wytwarzanego przez turbinę (napędzaną przez suszarkę) z 2, 3, 4, 6, 9 oraz 12 płatami. 4. Poproś uczniów o narysowanie tabelki i wpisanie w niej liczby płatów oraz napięcia zaobserwowanego podczas testów. 5. Niech uczniowie porównają wyniki ze swoimi przewidywaniami i wyjaśnią dlaczego są z nimi zgodne (lub niezgodne). 6. Poproś o narysowanie wykresu punktowego zawierającego ich wyniki. Słowa kluczowe: energia odnawialna, napęd wiatrowy Umiejętności: testowania pomysłów za pomocą własnych obserwacji i pomiarów, wyciągania wniosków na podstawie obserwacji, posługiwania się wiedzą do wyjaśniania obserwowanych zjawisk, badania i oceny skonstruowanych urządzeń, wskazania sytuacji, w których mają pracować te urządzenia. Przedmioty w krajowym programie nauczania: naukowe, projektowo-techniczne, matematyka Zakres wiekowy: lat, Etap kluczowy

11 9.5 Oddziaływanie na środowisko Rodział 9 Energia wiatru W porównaniu z konwencjonalnymi źródłami energii, opartymi na paliwach pochodzenia mineralnego, oddziaływanie na środowisko w procesie produkcji energii elektrycznej z energii wiatrowej jest niewielkie. W jego wyniku nie powstają zanieczyszczenia środowiska, a jedyne istotne efekty to zanieczyszczanie wizualne, czyli szpecenie krajobrazu oraz emisja hałasu. Większość turbin wiatrowych szpeci krajobraz nie bardziej niż słupy wysokiego napięcia, na których rozpięte są przewody biegnące od elektrowni do ośrodków dystrybucyjnych, gdzie napięcie jest transformowane do poziomu możliwego do wykorzystania w domu. W samej Wielkiej Brytanii jest słupów krajowej sieci energetycznej i o wiele mniej turbin. Zatem zanieczyszczenia wizualne powodowane przez turbiny nie powinny rzucać się w oczy. Ludzie są jednak przyzwyczajeni do oglądania słupów nawet w miejscach chronionych przyrodniczo - ale nie przywykli jeszcze do widoku turbin, dlatego wokół tej kwestii toczą się dyskusje, a protesty są uwzględniane przez urzędników planujących zagospodarowanie przestrzeni. Innym istotnym czynnikiem jest emisja hałasu, wynikająca z zawirowań powietrza powstającego na brzegach łopat. Należy jednak pamiętać, że niemal wszystkie urządzenia zwierające ruchome elementy produkują hałas i turbiny wiatrowe nie należą w tym względzie do wyjątku. Dobrze zaprojektowane turbiny pracują zwykle cicho, a w porównaniu z hałasem choćby ruchu ulicznego, pociągów, samolotów i prac budowlanych, hałas wytwarzany przez turbiny jest bardzo niewielki. Rozwiązania techniczne to modyfikacja kształtu brzegów płatów w celu poprawy przepływu powietrza, zastosowanie opasek na końcach płatów oraz zmniejszenie prędkości końców łopat. Duże turbiny, które zwykle umiejscawia się na terenach wiejskich, są na ogół położone co najmniej 400 m od najbliższych zabudowań. Z tej odległości hałas turbiny wiatrowej wytwarzającej prąd elektryczny odpowiada dźwiękowi strumienia płynącego w odległości m, szelestowi liści poruszanych przez wiatr, natężeniu dźwięku w typowym pomieszczeniu dziennym, w którym pracuje piecyk gazowy, lub w bibliotece albo czytelni (szelest kartek), czy też w pustym, klimatyzowanym biurze. Małe turbiny, zamontowane na budynku, nie powodują zanieczyszczeń wizualnych większych niż anteny telewizyjne lub talerze satelitarne. Odczuwanie hałasu zależy od natężenia dźwięków dochodzących z ulicy, torów kolejowych lub lotniska. Dla małych turbin istnieją dodatkowe rozwiązania techniczne, które mogą zredukować emisję hałasu do poziomu możliwego do zaakceptowania. 9.6 Zasoby energii wiatrowej Prędkość wiatru zmienia się w krótkim (kilka sekund) jak i w długim (kilka godzin) czasie. Pociąga to za sobą zmienność ilości produkowanej energii (rycina 9.10) Rycina Przykład 24-godzinnych zmian ilości energii wytwarzanej przez wielkoskalową turbinę wiatrową (dane dotyczą przemysłowej turbiny wiatrowej; źródło: Danish Wind Energy Association) 11

12 Jeśli produkcja turbiny jest jedynym źródłem energii elektrycznej dla danego obiektu, okresy ciszy wiatrowej w ciągu dnia mogą być niewystarczające do pokrycia zapotrzebowania na energię. Wtedy niektóre urządzenia domowe trzeba wyłączyć, by podtrzymać odpowiednie napięcie i częstotliwość w turbinie. Na wyspie Fair, położonej między Orkadami i Szetlandami, od 20 lat stosuje się system automatycznego wyłączania instalacji grzewczych. W przypadku małych turbin do użytku domowego, które są podłączone do sieci krajowej, sieć może pełnić funkcję odbiornika energii, gdy powstaje nadwyżka energii (eksport turbiny), jak i źródła w razie jej niedoboru (import gospodarstw domowych), co Household wind turbine output and energy consumption: indicating power imports & exports periods pozwala pokryć zapotrzebowanie energetyczne (rycina 9.11). 0.6 Niezbędny jest wtedy dodatkowy licznik importu i eksportu, służący do zapisu 0.5 energii wysyłanej do sieci. Power (KW/H) :00:00 02:00:00 household exporting 04:00:00 06:00:00 08:00:00 10:00:00 importing 12:00:00 Time (24hr clock) 14:00:00 16:00:00 18:00:00 20:00:00 22:00:00 importing Household energy consumption (KW/h) Output of Micro Wind turbine (KW/h) Rycina Typowa produkcja mikroturbiny oraz zapotrzebowanie gospodarstwa domowego na energię elektryczną, z zaznaczeniem importu i eksportu energii Pomiar i wykorzystanie wytworzonej energii Naukowym sposobem pomiaru prędkości wiatru jest umieszczenie na maszcie wiatromierza z chorągiewką wskazującą kierunek wiatru. Odczyt powinien być wykonywany na wysokości osi wirnika turbiny (rycina 9.12). Rycina Wiatromierz czaszowy na maszcie oraz wskaźnik kierunku wiatru, na wysokości osi wirnika turbiny wiatrowej. Źródło: Sigen Prostszym sposobem oznaczenia kierunku wiatru jest posłużenie się rękawem lub chorągiewką, które wskazują zarówno kierunek jak i prędkość wiatru (rycina 9. 13). Do określenia rocznej produkcji energii niezbędne są pomiary w lecie oraz w zimie. Wielka Brytania jest w korzystnej sytuacji, ponieważ wiatr wieje tam najsilniej zimą, kiedy zapotrzebowanie na energię jest najwyższe. Z kolei energia generowana przez ogniwa fotowoltaiczne osiąga maksymalne wartości w okresie letnim. Łączne zastosowanie fotoogniw i turbin wiatrowych byłoby pewniejszym źródłem energii, niż każde z tych urządzeń z osobna, jednak nie jest to opłacalne na obecnym etapie rozwoju technologicznego. 12

13 wskaźnik kierunku Większość turbin wiatrowych zaczyna wytwarzać energię przy prędkości wiatru co najmniej 3 m/s. Przy prędkości ponad 8 m/s produkcja energii wzrasta wolniej, a stabilizuje się, gdy prędkość wiatru przekroczy m/s (rycina 9.14). Dla małych turbin prędkość 3-8 m/s jest korzystniejsza niż silne podmuchy wiatru, ponieważ wydajniejsza jest produkcja niewielkich ilości energii elektrycznej, ale w dłuższym czasie. 1-2 m/s 4 m/s 8 m/s prędkość wiatru wskazuje kąt odchylenia chorągiewki Rycina 9.13 Rękaw wiatrowy Rycina 9.14 Produkcja energii przez małą turbinę w funkcji prędkości wiatru. Źródło Cornwall College Turbine Power curve Pow er (kw) 9.7 Potencjał wiatrowy w twojej szkole i domu Turbina wiatrowa musi być ustawiona w kierunku, z którego najczęściej wieje wiatr i nie może być zasłonięta przez budynki lub drzewa. Potencjalne miejsce można ocenić wizualnie oraz badając kierunek i siłę wiejącego wiatru. Kolejnym krokiem jest wykonanie pomiarów prędkości wiatru, tak jak opisano w ustępie Maszt wiatromierza musi być wyższy od szczytu budynku i odpowiednio ustabilizowany za pomocą odciągów. Ponieważ siła wiatru jest bardzo zmienna, obserwacje powinny być przeprowadzane w określonych odstępach czasu przez cały dzień, przez okres miesiąca lub dłużej. Pozwoli to wyznaczyć średnią prędkość wiatru. Power (kw) Windspeed (ms -1 ) W oparciu o informacje producenta będzie można następnie powiązać średnią prędkość wiatru z mocą produkcyjną i obliczyć ilość produkowanej energii. Tę wartość można porównać ze zużyciem energii elektrycznej wskazanym na rachunku za energię. Jeśli produkcja turbiny przekracza 25% zużycia energii, oznacza to, że warto zainwestować w małą turbinę wiatrową. Przykłady, którymi możesz się posłużyć do przeprowadzenia takich szacunków zamieszczono w ćwiczeniach 9.5 a (7-11) oraz b (11-16). 13

14 Ćwiczenie Potencjał wiatrowy przy twojej szkole: zastosowanie rękawa lub chorągiewki (tak samo jak ćwiczenie 3.2.) Siła i kierunek wiatru zmieniają się w ciągu dnia oraz z dnia na dzień. Na wiatr mają też wpływ położenie oraz wysokość najbliższych zabudowań i drzew. Czy przy twojej szkole jest wystarczająco dużo wiatru dla jednej lub kilku małych turbin wiatrowych? Najprostszą metodą oceny prędkości wiatru jest posłużenie się chorągiewką. Być może uda ci się też skorzystać z anemometru - urządzenia służącego do pomiaru prędkości wiatru. Zadanie: - z odpowiedniego materiału wykonaj chorągiewkę o długości ok. 1 m i szerokości 0.3 m - zrób wskaźnik, który będzie pokazywał kierunek wiatru - zamocuj wskaźnik kierunku na szczycie słupka, który posłuży za maszt, tak, by mógł swobodnie się obracać - postaw maszt i umocuj go za pomocą sznurka - zawieś chorągiewkę - zapisuj prędkość i kierunek wiatru w stałych odstępach czasu przez cały dzień, w ciągu kilku dni (oszacuj prędkość wiatru na podstawie położenia chorągiewki (patrz ryc w tekście głównym)) - jeśli to możliwe, umieść maszt w innym miejscu, powtórz pomiary i porównaj wyniki - na podstawie swoich pomiarów oblicz średnią prędkość wiatru - które położenie jest najbardziej odpowiednie dla małej turbiny wiatrowej? Uwagi dla nauczyciela: Kontekst: Zróżnicowanie prędkości wiatru w okresie od kilku sekund do kilku dni sprawia, że pomiary będą dość trudne. Ćwiczenie uwypukla jednak istotną z punktu widzenia dostępności i niezawodności cechę energii odnawialnej i może wywołać interesującą dyskusję o tym, jak wyglądać może nasze życie przy wykorzystywaniu wyłącznie odnawialnych źródeł energii. Cele ćwiczenia: Lokalna charakterystyka energii wiatrowej Materiał: materiał bawełniany na chorągiewkę; słupki, które mogą być połączone w trzymetrowy maszt; kawałek drewna na wskaźnik kierunku wiatru; sznurek i kołki do pionowego ustawienia masztu; bloczek do wciągnięcia chorągiewki. Słowa kluczowe: prędkość wiatru, energia odnawialna Umiejętności: obserwacji, analizy, dedukcji Przedmioty w krajowym programie nauczania: matematyka, przedmioty naukowe, geografia Zakres wiekowy: 9-13 lat Etap kluczowy 2-3 Rycina: 9.13 Schemat rękawa (chorągiewki wiatrowej) 14

15 Ćwiczenie Potencjał wiatrowy w twojej szkole: wykonanie wiatromierza Do badania prędkości wiatru można wykonać prosty wiatromierz i posłużyć się zegarkiem. Zbierz następujące materiały: 4 małe papierowe kubeczki, nożyczki, flamaster, 2 paski sztywnej tektury falistej lub plastiku falistego, zszywacz, pinezki, zaostrzony ołówek z gumką, zegarek (z sekundnikiem) oraz glina modelarska. Zadanie: 1. Obetnij zaokrąglone brzegi kubeczków, by były lżejsze. 2. Oznacz flamastrem zewnętrzną część jednego kubeczka. 3. Skrzyżuj paski tektury/plastiku tak, by stworzyły znak plus i zszyj je. 4. Dokładnie wyznacz środek pasków i zaznacz go. 5. Zszyj kubeczki z końcami pasków tak, by wszystkie były skierowane w tę samą stronę. 6. Wepnij pinezkę w środek i przypnij skrzyżowane paski z kubeczkami do gumki na ołówku. Dmuchnij w kubeczki, by sprawdzić, czy całość obraca się swobodnie na pinezce. 7. Na ziemi na zewnątrz budynku umieść glinę modelarską. Wbij zaostrzony koniec ołówka w glinę tak, by sterczał do góry. 8. Za pomocą zegarka (z sekundnikiem) policz, ile razy oznaczony kubeczek zatacza koło w ciągu jednej minuty. 9. Zapisz swoje spostrzeżenia przedstawiając prędkość wiatru w obrotach na minutę, uwzględniając czas i miejsce pomiaru. 10. Zmierz prędkość wiatru o różnych porach w przeciągu kilku dni. 11. Spróbuj zmierzyć prędkość wiatru ustawiając wiatromierz na otwartej przestrzeni oraz w miejscu bardziej osłoniętym. 15

16 Uwagi dla nauczyciela (9.2b 11-14) Kontekst: Turbiny wiatrowe wytwarzające energię do wydajnego działania wymagają średniej prędkości wiatru ok. 5 m/s. Dlatego za pomocą wiatromierza należy oszacować prędkość wiatru w danym miejscu. Cel: Wiele szkół nie posiada dostępu do wiatromierza. To ćwiczenie umożliwia uczniom zbudowanie prostego anemometru, który może być użyty do oceny prędkości wiatru w obrotach na godzinę. Umożliwi to wybór odpowiedniego miejsca do instalacji turbiny wiatrowej w szkole. Materiały: 4 małe papierowe kubeczki, nożyczki, flamaster, 2 paski sztywnej tektury falistej lub plastiku falistego, zszywacz, pinezki, zaostrzony ołówek z gumką, zegarek (z sekundnikiem) oraz glina modelarska Instrukcje: 1. Każda grupa uczniów obcina zaokrąglone brzegi swoich 4 kubeczków. 2. Każda grupa oznacza zewnętrzną część jednego z 4 kubeczków, co pozwoli określenie liczby obrotów na minutę. 3. Należy skrzyżować 2 kawałki tektury/plastiku i spinają je razem. 4. Sprawdź, czy uczniowie dokładnie wyznaczyli środek skrzyżowanych pasków tektury. 5. Grupy przypinają kubeczki do końców pasków tak, by wszystkie były skierowane w tę samą stronę. 6. Należy wbić pinezkę w środek pasków z kubeczkami i przyczepić go do końca ołówka zakończonego gumką. Dmuchnij w kubeczki i sprawdź, czy obracają się swobodnie na pinezce. 7. Wybierz na zewnątrz budynku kilka miejsc, w których wiatr może wiać z różną prędkością i poproś uczniów, by umieścili w nich glinę modelarską, w której zatkną pionowo ołówek (zaostrzonym końcem) z wiatromierzem 8. Niech jedna osoba z grupy patrzy na zegarek (z sekundnikiem) i liczy, ile razy w ciągu minuty oznaczony kubeczek zatacza koło. 9. Poproś o zapisanie wyników w zbiorczej tabeli prędkości wiatru (mierzonej w obrotach na minutę), ukazującej zmienność prędkości wiatru zależnie od miejsca. Jeśli na ćwiczenie możesz przeznaczyć więcej niż jedną lekcję: 10. Poproś uczniów o zmierzenie prędkości wiatru o różnych porach dnia, przez okres kilku dni, w różnych miejscach na terenie szkoły (wybierz tereny otwarte i bardziej osłonięte) 11. Przedyskutuj, dlaczego prędkość wiatru jest różna w różnych miejscach. Słowa kluczowe: energia odnawialna, napęd wiatrowy Umiejętności: testowania hipotez za pomocą własnych obserwacji i pomiarów, wyciągania wniosków na podstawie obserwacji, posługiwania się wiedzą do wyjaśnienia obserwowanych zjawisk Przedmioty w krajowym programie nauczania: naukowe, matematyka Zakres wiekowy: lat, Etap kluczowy 3 16

17 Ćwiczenie 9.6a (7-11) Jaka jest prędkość wiatru w twojej okolicy? Wyznacz potencjał wiatrowy w twojej okolicy. Zadanie: Do określenia, jakie są możliwości wykorzystania wiatru w okolicy, posłużysz się mapą warstwicową. Postępuj według poniższych instrukcji. 1. Wpisz otrzymany 6-cyfrowy kod siatki odniesienia OS [Ordnance Survey, brytyjski urząd kartograficzny - przyp. tłum.] do bazy danych potencjału wiatrowego NOABL: (Najpierw zaznacz Great Britain [England, Scotland and Wales], wpisz kod OS [SW6542] w odpowiednie miejsce, po czym kliknij find wind data. Informacja będzie miała postać 3 tabelek, w każdej będzie 9 liczb. Najważniejszą z nich jest środkowa, zaznaczona na żółto w tabelce na dole, opisana jako Wind speed at 10m agl (in m/s), która podaje prędkość wiatru na wysokości 10 m ponad ziemią - mniej więcej na tej wysokości znajduje się większość generatorów mikroturbin.) 2. Podaj odczytane wartości klasie i nauczycielowi, który umieści wszystkie prędkości wiatru w tabeli. 3. Zaznacz zebrane przez klasę wyniki na kopii mapy OS i narysuj warstwice, łącząc obszary o podobnej prędkości wiatru, a następnie pokoloruj mapy. 17

18 Uwagi dla nauczyciela (9.3a 7-11) Kontekst: Prędkość wiatru jest jednym z głównych czynników, które decydują o ilości energii elektrycznej produkowanej przez turbinę. W sieci internet dostępne są bazy danych umożliwiające ogólną ocenę prędkości wiatru na podstawie kodu pocztowego danego obszaru. To ćwiczenie pokazuje, jak można ocenić potencjał wiatrowy wykorzystując dostęp do internetu. Materiały: Komputery z dostępem do internetu, mapa OS o odpowiedniej skali (do wykonania kopii dla uczniów), pudełko kolorowych ołówków dla każdej pary lub małej grupy. Cele: Ocena potencjału wiatrowego w okolicy, w której mieszkają uczniowie. Powinni umieć 1. posługiwać się sieciową bazą danych o potencjale wiatrowym NOABL, by sprawdzić wartość potencjału wiatrowego współrzędnych z siatki odniesienia. 2. zaznaczyć te wartości dla swojej szkoły i domów na siatce odniesienia mapy 3. stworzyć mapę warstwicową potencjału wiatrowego łącząc punkty o tym samym potencjale liniami. Instrukcje: Zbierz kody pocztowe wszystkich uczniów przed zajęciami i zamień je na 6-cyfrowe współrzędne siatki odniesienia OS, podobnie jak w instrukcji zamieszczonej w Uwagach dla nauczycieli (9.3b 11-16) 1. Zbierz je w tabeli na tablicy. 2. Każdemu uczniowi podaj jeden 6-cyfrowy kod OS. 3. Niech każdy uczeń wpisze 6-cyfrowe kody OS, które otrzymał, do bazy potencjału wiatrowego NOABL: (Najpierw zaznacz Great Britain [England, Scotland and Wales], wpisz kod OS [SW6542] w odpowiednie miejsce, po czym kliknij find wind data. Informacja będzie miała postać 3 tabelek, w każdej będzie 9 liczb. Najważniejszą z nich jest środkowa, zaznaczona na żółto w tabelce na dole, opisana jako Wind speed at 10m agl (in m/s), która podaje prędkość wiatru na wysokości 10 m ponad ziemią - mniej więcej na tej wysokości znajduje się większość generatorów mikroturbin.) 4. Uczniowie podają odczytane wartości klasie; wszystkie prędkości wiatru są zbierane w tabeli, razem ze współrzędnymi siatki odniesienia, a następnie sprawdzane. 5. Uczniowie nanoszą wyniki na kopie mapy OS okolicy szkoły i rysują linie, łącząc obszary o podobnej prędkości wiatru, po czym kolorują mapy. Słowa kluczowe: energia odnawialna, internet, współrzędne siatki odniesienia Umiejętności: zrozumienie pojęcia siatki odniesienia, wyszukiwania informacji i rozwiązywania problemów za pomocą komputera i sieci internet, zbierania i interpretacji danych, posługiwania się mapą Przedmioty w krajowym programie nauczania: geografia, informatyka Zakres wiekowy: 7-11 lat, Etap kluczowy 2 18

19 Ćwiczenie 9.6b (11-16) - Jaka jest prędkość wiatru w twojej okolicy? Wyznacz potencjał wiatrowy w twojej okolicy. Zadanie: Do określenia, jakie są możliwości wykorzystania wiatru w okolicy, posłużysz się mapą warstwicową. Pracuj w grupach co najmniej 2 osób. Potrzebny będzie twój kod pocztowy lub kod szkoły, jeśli nie mieszkasz w pobliżu. Postępuj według poniższych instrukcji. 1. Spisz wszystkie kody pocztowe osób z twojej grupy (jeśli nie mieszkasz w pobliżu szkoły, nauczyciel poda ci kod). 2. Zamień kody na współrzędne siatki odniesienia na poniższej stronie: a następnie zapisz wszystkie otrzymane 8-znakowe współrzędne OS obok odpowiadających im kodów. (Zwróć uwagę, że baza danych NOABL, z której będziesz później korzystał, posługuje się 6- znakowym kodem OS, a powyższa strona podaje 8-znakowe OS współrzędne siatki odniesienia: np. kod pocztowy firmy CEP (Community Energy Plus) to TR14 0HX, a wpisanie go na powyższej stronie zwraca kod SW w wierszu LR (landranger)) 3. Zamień kody 8-znakowe na 6-znakowe, które będzie można wpisać do bazy danych o potencjale wiatrowym, usuwając 3. i 6. cyfrę z kodu siatki odniesienia. Wpisz każdy 6-znakowy kod przy odpowiadającym mu kodzie 8-znakowym i kodzie pocztowym. (np. SW otrzymany dla biur CEP zostanie zmieniony w kod 6-znakowy poprzez usunięcie 3. i 6. cyfry na SW6542, który ma format odpowiedni dla bazy potencjału wiatrowego). 4. Wpisz 6-znakowe kody OS do bazy potencjału wiatrowego NOABL: (Najpierw zaznacz Great Britain [England, Scotland and Wales], wpisz kod OS [SW6542] w odpowiednie miejsce, po czym kliknij find wind data. Informacja będzie miała postać 3 tabelek, w każdej będzie 9 liczb. Najważniejszą z nich jest środkowa, zaznaczona na żółto w tabelce na dole, opisana jako Wind speed at 10m agl (in m/s), która podaje prędkość wiatru na wysokości 10 m ponad ziemią - mniej więcej na tej wysokości znajduje się większość generatorów mikroturbin.) 5. Podaj odczytane wartości klasie i nauczycielowi, który umieści wszystkie prędkości wiatru w tabeli. 6. Nanieś wszystkie wyniki z całej klasy na kopie mapek OS, narysuj warstwice łącząc obszary o podobnej prędkości wiatru, a następnie pokoloruj mapki. 19

20 Uwagi dla nauczyciela (9.3b 11-16) Kontekst: Prędkość wiatru jest jednym z głównych czynników, które decydują o ilości energii elektrycznej produkowanej przez turbinę. W sieci internet dostępne są bazy danych umożliwiające ogólną ocenę prędkości wiatru na podstawie kodu pocztowego danego obszaru. To ćwiczenie pokazuje, jak można ocenić potencjał wiatrowy wykorzystując dostęp do internetu. Materiały: Komputery z dostępem do internetu, mapa OS o odpowiedniej skali (do wykonania kopii dla uczniów), pudełko kolorowych ołówków dla każdej pary lub małej grupy. Cele: Wyznaczenie i zmapowanie potencjału wiatrowego w szkole i/lub domu ucznia. Ćwiczenie pokazuje, w jaki sposób należy: 1. określić współrzędne siatki odniesienia dla danego miejsca zamieszkania po przekształceniu kodu pocztowego za pomocą odpowiednich narzędzi sieciowych. 2. posługiwać się internetową bazą danych o potencjale wiatrowym NOABL w celu sprawdzenia potencjału wiatrowego dla danych współrzędnych. 4. nanieść wartości potencjału wiatrowego oraz współrzędne siatki odniesienia na mapce OS 5. wykonać mapę potencjału wiatrowego łącząc punkty o podobnym potencjale i rysując warstwice. Instrukcja: 1. Pary podają kody pocztowe swojego miejsca zamieszkania (jeśli mieszkają blisko szkoły; w przeciwnym wypadku kod może przypisać nauczyciel). 3. Pary zamieniają swoje kody pocztowe na kody siatki odniesienia pod adresem: (baza danych o prędkości wiatru NOABL posługuje się 6-znakowym kodem OS, a powyższa strona podaje 8-znakowe OS współrzędne siatki odniesienia: np. kod pocztowy firmy CEP (Community Energy Plus) to TR14 0HX, a wpisanie go na powyższej stronie zwraca kod SW w wierszu LR (landranger)) 4. Pary zamieniają kody 8-znakowe na 6-znakowe, o formacie odpowiednim dla bazy danych o potencjale wiatrowym. (np. SW otrzymany dla biur CEP zostanie zmieniony w kod 6-znakowy poprzez usunięcie 3. i 6. cyfry na SW6542). 5. Pary wpisują otrzymane 6-znakowe kody OS do bazy potencjału wiatrowego NOABL: (Najpierw zaznacz Great Britain [England, Scotland and Wales], wpisz kod OS [SW6542] w odpowiednie miejsce, po czym kliknij find wind data. Informacja będzie miała postać 3 tabelek, w każdej będzie 9 liczb. Najważniejszą z nich jest środkowa, zaznaczona na żółto w tabelce na dole, opisana jako Wind speed at 10m agl (in m/s), która podaje prędkość wiatru na wysokości 10 m ponad ziemią - mniej więcej na tej wysokości znajduje się większość generatorów mikroturbin.) 20

21 6. Uczniowie podają odczytane wartości klasie; wszystkie prędkości wiatru oraz kody siatki odniesienia są umieszczane w tabeli i sprawdzane. 7. Uczniowie nanoszą wszystkie wyniki na kopie mapek OS, rysują warstwice łącząc obszary o podobnej prędkości wiatru, a następnie kolorują mapki. Słowa kluczowe: energia odnawialna, napęd wiatrowy, internet Umiejętności: zrozumienia pojęcia siatki odniesienia, wyszukiwania informacji za pomocą komputera i sieci internet w celu rozwiązania określonego problemu, zbierania i interpretacji danych, posługiwania się mapą, zrozumienia i zastosowania podejścia ilościowego do poznania czynników wpływających na produkcję energii. Przedmioty w krajowym programie nauczania: geografia, informatyka zakres wiekowy: lat, etap kluczowy 3-4 mapa prędkości wiatru w Wielkiej Brytanii źródło: Council for the Central Laboratory of the Research Councils mapa wiatrowa Europy Wschodniej źródło: ESRU Strathclyde University 21

22 Studium przypadku - historia wielkoskalowej energii wiatrowej w Wielkiej Brytanii i Danii Wiatraki od wieków stosuje się do mielenia ziarna i otrzymywania mąki na pieczywo. Pierwszą elektrownię wiatrową zbudował jednak w 1888 Charles F. Brush w Cleveland, w amerykańskim stanie Ohio. Dopiero w latach 80-tych zbudowano pierwsze komercyjne farmy wiatrowe wykorzystujące wiatr morski. Obecnie Europa posiada największą na świecie moc zainstalowaną i jest wiodącym producentem turbin wiatrowych. Sektor energii wiatrowej jest najlepiej rozwinięty w Niemczech, Hiszpanii i Danii, dzięki efektywnej promocji napędu wiatrowego przez rządy tych państw. Z początku turbiny były wznoszone na lądzie, jednak dzięki obecnemu postępowi technologicznemu potrafimy już stawiać farmy wiatrowe na morzu, co staje się konieczne wobec wykorzystania większości najlepszych lokalizacji na lądzie. Energia wiatrowa rozwija się w Wielkiej Brytanii powoli, głównie w wyniku problemów, jakie napotykają inwestorzy przy uzyskiwaniu pozwolenia budowę oraz związanych z tym kosztów. Dlatego w roku 2005 moc zainstalowana brytyjskich elektrowni wiatrowych była o połowę niższa, niż w Danii, choć populacja i zużycie energii elektrycznej w Wielkiej Brytanii są 10 razy wyższe. Choć energia wiatrowa dostarcza prądu elektrycznego do prawie miliona brytyjskich gospodarstw domowych, Wielka Brytania pokrywa obecnie jedynie 0,5% (1/200) swojego zapotrzebowania na energię elektryczną z energii wiatrowej; z kolei Dania realizuje prawie 20% swojego popytu na prąd elektryczny z wiatru. Jednakże dzięki dopracowaniu morskiej technologii wiatrowej, zmianom na rynku oraz zmianom procedur budowlanych, w Wielkiej Brytanii, dysponującej największym potencjałem energii wiatrowej w Europie, można spodziewać się szybkiego wzrostu ilości energii wytwarzanej z wykorzystaniem wiatru. Pierwsza morska farma wiatrowa została wzniesiona na Morzu Bałtyckim nieopodal wybrzeża duńskiego, w roku Składa się z 11 turbin umiejscowionych 1,5-3 km na północ od wyspy Lolland, obok miejscowości Vindeby. Wielka Brytania sięgała do swoich zasobów wiatrowych powoli: pierwsze turbiny wiatrowe ustawiono na wodach przybrzeżnych w roku 2000, nieopodal Blyth (hrabstwo Northumberland), ok. 1 km od brzegu. Jednak ponieważ Blyth ma dużo większe turbiny, niż Vindeby (i przy maksymalnych osiągach wytwarza ponad 4 razy więcej energii elektrycznej na turbinę), dwie turbiny w Blyth produkują energię wystarczającą dla około 2775 domów, co stanowi ok. 2/3 mocy Vindeby. Pierwsza wielkoskalowa morska farma wiatrowa na wodach brytyjskich została zbudowana przy North Hoyle, na Morzu Irlandzkim, w roku Ma ona 30 turbin, umiejscowionych ok. 8 km od wybrzeża Walii i produkuje energię dla około gospodarstw. Z kolei w 2003 Duńczycy wybudowali największą na świecie morską farmę wiatrową, liczącą 80 dużych turbin, zlokalizowaną niedaleko Horns Rev i wytwarzającą energię na potrzeby około budynków mieszkalnych. 22

23 Ćwiczenie 9.7a (7-11) Wielka debata o wietrze W grupach przedyskutujcie zalety i wady Rodział energii 9 Energia wiatrowej. wiatru W parach zdecydujcie, czy każde z poniższych twierdzeń jest za czy przeciw budowie farmy wiatrowej, a następnie wpiszcie decyzję w odpowiednią kolumnę tabelki poniżej. Wycinki z prasy: Farma wiatrowa to same problemy Wiatr jest zawodny, więc potrzebne są inne źródła energii elektrycznej Energia wiatrowa jest czystym, odnawialnym źródłem energii elektrycznej Energia wiatrowa nie zanieczyszcza środowiska i nie pogłębia zmian klimatu Farmy wiatrowe ograniczają spalanie paliw kopalnych i zmniejszają emisję gazów cieplarnianych Farmy wiatrowe powodują hałas Turbiny wiatrowe zabijają ptaki Badania wykazały, że turbiny wiatrowe zabijają bardzo niewiele ptaków, jeśli nie są umiejscowione na ich trasie migracyjnej Farmy wiatrowe lepiej pasują do krajobrazu niż elektrownie węglowe Farmy wiatrowe zniszczą piękno krajobrazu mojej okolicy Do wytworzenia ilości prądu elektrycznego, jaką produkuje elektrownia jądrowa, potrzebne byłoby wiele turbin, zajmujących ogromny obszar ZA PRZECIW Przykłady aktualnych nagłówków gazet dotyczących wiatru: Kontrowersje wokół budowy największej elektrowni wiatrowej na świecie National Geographic News ( ) wiatrowych Poparcie Rady dla budowy wielkiej farmy wiatrowej BBC News Online ( ) Działacze na rzecz klimatu wzburzeni po cofnięciu budowy farmy wiatrowej The Guardian ( ) RSPB przeciwko rozwojowi farm Green Consumer Guide ( ) Atak na kampanię dla farm wiatrowych (BBC News Online) 23

24 9.8 Lokalizacja i budowa Europejskie przepisy budowlane różnią się nawet w obrębie jednego państwa, a szczegółowe regulacje i decyzje często leżą w gestii lokalnych samorządów. Pozwolenie na budowę może być wymagane dla każdej turbiny wiatrowej, a dla konstrukcji przekraczającej 4 m wysokości jest konieczne. Przed wybraniem lokalizacji turbiny należy skontaktować się z miejscowym urzędem budowlanym i dowiedzieć się, jaka jest procedura otrzymania zgody na budowę. Turbiny wiatrowe do optymalnej pracy wymagają nieprzerwanego dostępu do wiatru. Drzewa, budynki i wzniesienia mogą blokować dopływ wiatru i powodować zawirowania. Umieszczenie obok nich turbin zmniejszy ilość wytwarzanej energii. Aby otrzymać możliwie największą ilość energii należy więc wybrać odpowiednie miejsce dla postawienia turbiny. Służą do tego pomiary prędkości wiatru (patrz sekcja 9.2.1), które mogą potrwać nawet rok. Większość turbin wymaga otwartej przestrzeni i średnich prędkości wiatru co najmniej 12 km/h. Studium przypadku mikrowiatrowe planowanie przestrzenne w Wielkiej Brytanii Wyniki brytyjskiego Przeglądu Energetycznego (Energy Review) z 2006 wskazują, że przed końcem roku 2007 zniesiony zostanie obowiązek uzyskania pozwolenia na budowę obiektów z mikroturbinami wiatrowymi. Właściciele domów nie będą musieli ubiegać się o pozwolenie na instalację turbiny, jeśli budynek nie będzie znajdował się na obszarze objętym ochroną (np. obszar ochrony przyrody lub obszar chronionego krajobrazu). Zmiana ta nie będzie dotyczyć większych (ponad 2,5kW) turbin instalowanych na masztach, które mogą być wykorzystane przez szkoły - ich budowa będzie musiała przejść procedurę planowania przestrzennego. 9.9 Koszt małoskalowej elektrowni wiatrowej W Wielkiej Brytanii systemy wiatrowe do 1kW kosztują około 1500 (2250 ), zaś większe (od 1,5kW do 5kW) od 4000 (6000 ) do (45000 ). Koszty obejmują produkcję turbiny, masztu, przechowanie akumulatora (jeśli konieczne) oraz instalację. Należy jednak pamiętać, że koszty różnią się w zależności od miejsca budowy elektrowni wiatrowej, jej rodzaju i wielkości. Co więcej, firmy zawsze nastawione są na jak największy zysk, zatem przed podjęciem decyzji o zakupie należy zorientować się w cenach w lokalnej agencji energetycznej (np. w Wielkiej Brytanii należy szukać miejscowego Ośrodka Doradztwa ds. Wydajności Energetycznej pod numerem (44) ). Studium przypadku - dotacje dla małoskalowych inwestycji wiatrowych w Wielkiej Brytanii Granty na turbiny wiatrowe dla lokalnych społeczności W ramach programu rządowego Budynki oszczędne energetycznie (Low Carbon Buildings Programme) można otrzymać dofinansowanie w wysokości do 50% kosztu turbiny wiatrowej, maksymalnie Granty te nie są przyznawane indywidualnym osobom - muszą ubiegać się o nie lokalne grupy społeczne. Granty na instalacje wiatrowe dla gospodarstw Rząd może pokryć do 30% kosztu turbiny wiatrowej, maksymalnie Inwestycja pokrywana jest w wysokości 1000 na każdy kilowat mocy. Na zakup turbiny o mocy 1,5 kw i wartości 5000 można otrzymać dotację rządową o wielkości patrz: or call for further details 24

25 Uwagi dla nauczyciela (9.4a 7-11) Kontekst: Turbiny wiatrowe i ich lokalizacja są przedmiotem sporów. Włączeni są w niego obywatele, grupy nie na moim podwórku (Not In My Backyard), firmy energetyczne oraz władze i media. To ćwiczenie prezentuje niektóre podejścia do zagadnienia. Cele: Przemyślenie i przedyskutowanie różnych opinii, za i przeciw konstrukcji turbin lub farm wiatrowych. Ćwiczenie ma na celu: 1. zrozumienie niektórych sprzecznych poglądów na temat energii wiatrowej jako potencjalnego źródła energii elektrycznej. 2. rozwinięcie umiejętności pracy w grupie poprzez wspólną pracę z rówieśnikami. Instrukcje: 1. Poleć uczniom, by pogrupowali wycinki z gazet na dwie kategorie za oraz przeciw. 2. Podziel klasę na duże grupy; niech jedna będzie za rozwojem technologii wiatrowych, a druga przeciw. 3. Niech każda grupa przygotuje się do prezentacji swojego stanowiska drugiej grupie podczas debaty (wycinki z gazet oraz inne źródła dostarczone przez nauczyciela powinny pomóc uczniom w sformułowaniu argumentów). Następnie przeprowadź debatę oraz głosowanie. Ćwiczenia dodatkowe: Wnioski debaty mogą posłużyć do napisania raportu dla reszty szkoły, zawierającego wyważone streszczenie zagadnień podniesionych podczas klasowej dyskusji. Słowa kluczowe: energia odnawialna, energia wiatrowa, debata, opinie, społeczność Umiejętności: zrozumienie różnych stanowisk, uwzględnienie różnych problemów i opinii, praca grupowa Przedmioty w krajowym programie nauczania: geografia, wiedza obywatelska Zakres wiekowy: 7-11 lat, Etap kluczowy 2 25

26 Ćwiczenie 9.7b (11-16) Wielka debata o wietrze Przedyskutujcie zalety i wady budowy turbiny wiatrowej przy waszej szkole. Zadania: będziecie potrzebowali dostępu (przynajmniej dla par) do komputera i internetu. 1. Razem z nauczycielem oraz resztą klasy wybierz jedną z dwóch symulacji: przeprowadzenia ankiety inwestycji budowlanej dla turbiny wiatrowej lub zainstalowania mikroturbiny przy twojej szkole. 2. Wyszukaj w sieci internet artykuły i inne wiadomości o energii wiatrowej, szczególnie opinie na temat wiatru oraz popularne mity o wietrze (dużo artykułów z prasy znajdziesz pod adresem nie wybieraj tekstów starszych niż 5 lat). 3. Opowiedz klasie o najciekawszych artykułach, które znalazłeś; podaj nauczycielowi adresy stron internetowych, by mógł zebrać je na tablicy. 4. Przeczytaj najbardziej interesujące teksty źródłowe i przyporządkuj je do dwóch kategorii - artykuły za i przeciw. 5. Nauczyciel przypisze ci rolę spośród następujących: producent turbin wiatrowych, dyrektor szkoły, urzędnik planowania przestrzennego rady powiatowej, przedstawiciel miejscowego związku mieszkańców, przewodniczący organizacji HATERS (Homeowners Angry That Electricity Ruins Spaces), RSPB (Royal Society for the Protection of Birds) [odpowiednik OTOPu, Ogólnopolskiego Towarzystwa Ochrony Ptaków, przyp. tłum.], National Trust, przedstawiciel Greenpeace u, przedstawiciel lokalnej grupy Sustainable Energy Partnership (której członkiem jest rada powiatowa) bądź jeden z członków komisji planowania przestrzennego rady powiatowej. 6. Jeśli nie jesteś członkiem komisji planowania przestrzennego, przygotuj listę argumentów (za pomocą przeczytanych artykułów) za lub przeciw wnioskowi budowy do przedstawienia podczas debaty uczniom wchodzącym w skład komisji planowania przestrzennego 7. Weź udział w debacie. 8. Uczniowie tworzący komisję planowania przestrzennego powinni robić notatki podczas debaty i powiedzieć klasie, dlaczego zdecydowali się głosować za/przeciw wnioskowi. 26