Practical Action/Windpumps/pl

Windpump to wiatrak używany do pompowania wody, jako źródło świeżej wody ze studni lub do osuszania nisko położonych obszarów lądu. Kiedyś powszechne wyposażenie gospodarstw na terenach półpustynnych, windpumpy są nadal używane tam, gdzie energia elektryczna nie jest dostępna lub jest zbyt droga.

Pierwsza połowa XX wieku przyniosła dalszy rozwój, w szczególności przejście na maszyny wiatrowe typu śmigłowego do produkcji energii elektrycznej. W latach dwudziestych w samych Stanach Zjednoczonych używano 6 milionów pomp wiatrowych, a ich produkcja i użytkowanie stały się powszechne na każdym kontynencie. Jednak chwała pomp wiatrowych nie trwała długo. Wraz z pojawieniem się tanich paliw kopalnych w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych XX wieku oraz rozwojem technologii pompowania, pompy wiatrowe stały się w USA niemal przestarzałe.

W kilku krajach rozwijających się istnieją producenci produkujący pompy wiatrowe. Jednak wykorzystanie maszyn wiatrowych do pompowania wody jest generalnie bardzo powolne, mimo że technologia ta jest dobrze dostosowana do popytu w wielu regionach Afryki, Azji i Ameryki Łacińskiej.

Historia

Technologia wiatrowa sięga wielu stuleci wstecz. Istnieją historyczne twierdzenia, że ​​maszyny wiatrowe wykorzystujące siłę wiatru pochodzą z czasów starożytnych Egipcjan. Heros z Aleksandrii używał prostego wiatraka do napędzania organów, podczas gdy babiloński cesarz Hammurabi używał wiatraków do ambitnego projektu irygacyjnego już w XVII wieku p.n.e. Persowie budowali wiatraki w VII wieku n.e. do mielenia i nawadniania, a rustykalne młyny podobne do tych wczesnych projektów o pionowej osi można nadal znaleźć w tym regionie. W Europie pierwsze wiatraki pojawiły się znacznie później, prawdopodobnie zostały wprowadzone przez Anglików po powrocie z krucjat na Bliskim Wschodzie lub być może przeniesione do Europy Południowej przez muzułmanów po podboju Półwyspu Iberyjskiego. To w Europie miała miejsce większość późniejszego rozwoju technicznego. Pod koniec XIII wieku opracowano typowy „europejski wiatrak”, który stał się normą aż do wprowadzenia dalszych udoskonaleń w XVIII wieku. Pod koniec XIX wieku w Europie działało ponad 30 000 wiatraków, których głównym zadaniem było mielenie zboża i pompowanie wody.

Pierwsza połowa XX wieku przyniosła dalszy rozwój, w szczególności przejście na maszyny wiatrowe typu śmigłowego do produkcji energii elektrycznej. Główne postępy w projektowaniu pompy wiatrowej miały jednak miejsce w USA. Technologia ta została przejęta i rozwinięta przez wczesnych pionierów lub osadników, którzy potrzebowali metody podnoszenia wody gruntowej do nawadniania, pojenia zwierząt gospodarskich, a później do dostarczania wody do lokomotyw parowych, które zaczęły się rozprzestrzeniać w całym kraju. W tym czasie nastąpiło kilka istotnych udoskonaleń technicznych w maszynach komercyjnych; zdolność maszyny do automatycznego przełączania się na dominujący wiatr; opracowanie mechanizmu samoregulującego, który automatycznie wyłączał maszynę z wiatru, gdy prędkość wiatru stała się wystarczająco duża, aby spowodować uszkodzenie; różne ulepszenia w konstrukcji wirnika i ogólnej trwałości oraz wprowadzenie mechanizmów przekładniowych. Technologia ta wkrótce została przyjęta na całym świecie, szczególnie w nowo zasiedlonych suchych regionach, takich jak Republika Południowej Afryki, Australia i Argentyna, gdzie wcześniej brak wody zawsze uniemożliwiał osadnictwo i rozwój gospodarczy na odległych obszarach. W latach dwudziestych XX wieku w samych Stanach Zjednoczonych używano 6 milionów pomp wiatrowych, a ich produkcja i użytkowanie stały się powszechne na wszystkich kontynentach.

Ale chwała pompy wiatrowej nie trwała długo. Wraz z pojawieniem się tanich paliw kopalnych w latach 50. i 60. oraz rozwojem technologii pompowania, pompa wiatrowa stała się w USA niemal przestarzała. Obecnie, wraz z regularnymi kryzysami paliwowymi i rosnącymi cenami, nastąpiło odrodzenie zainteresowania energią wiatrową, ale pompa wiatrowa nie odzyskała jeszcze statusu, jaki miała w czasach swojej świetności.

Pompowanie wiatru dla obszarów wiejskich w krajach rozwijających się

W kilku krajach rozwijających się istnieją producenci produkujący pompy wiatrowe. Jednak wykorzystanie maszyn wiatrowych do pompowania wody jest generalnie bardzo powolne, mimo że technologia ta jest dobrze dostosowana do zapotrzebowania wielu regionów Afryki, Azji i Ameryki Łacińskiej. Tam, gdzie są używane, zapotrzebowanie dotyczy jednego z następujących zastosowań końcowych:

• zaopatrzenie wsi w wodę
• nawadnianie
• zaopatrzenie w wodę dla zwierząt gospodarskich

Pompowanie wody jest jedną z najbardziej podstawowych i powszechnych potrzeb energetycznych na obszarach wiejskich świata. Szacuje się, że połowa ludności wiejskiej na świecie nie ma dostępu do czystej wody.

Techniczne

Siła wiatru

Systemy wiatrowe, które istnieją nad powierzchnią ziemi, są wynikiem zmian ciśnienia powietrza. Są one z kolei spowodowane zmianami w ogrzewaniu słonecznym. Ciepłe powietrze unosi się, a chłodniejsze napływa, aby zająć jego miejsce. Wiatr to po prostu ruch powietrza z jednego miejsca do drugiego. Istnieją globalne wzorce wiatru związane z ogrzewaniem słonecznym na dużą skalę różnych regionów powierzchni ziemi i sezonowymi zmianami w padaniu promieni słonecznych. Istnieją również lokalne wzorce wiatru spowodowane efektami różnic temperatur między lądem a morzem lub górami a dolinami.

Dane dotyczące prędkości wiatru można uzyskać z map wiatru lub z biura meteorologicznego. Niestety ogólna dostępność i niezawodność danych dotyczących prędkości wiatru jest wyjątkowo słaba w wielu regionach świata. Jednak znaczące obszary świata mają średnie prędkości wiatru powyżej 3 m/s, co sprawia, że ​​stosowanie pomp wiatrowych jest ekonomicznie atrakcyjną opcją. Ważne jest uzyskanie dokładnych danych dotyczących prędkości wiatru dla danego miejsca, zanim podejmie się decyzję co do jego przydatności. Metody oceny średniej prędkości wiatru można znaleźć w odpowiednich tekstach (patrz sekcja „Odniesienia i zasoby” na końcu tej karty informacyjnej). Moc wiatru jest proporcjonalna do:

• obszar wiatraka zamiatany przez wiatr
• sześcian prędkości wiatru
• gęstość powietrza, która zmienia się w zależności od wysokości

Poniżej przedstawiono wzór służący do obliczenia mocy wiatru:

P _W = ½ ρ AV ³

Gdzie,

P _W to moc w watach dostępna w wietrze (W)

ρ to gęstość powietrza w kilogramach na metr sześcienny (kg/ ^m3 )

A to powierzchnia wirnika w metrach kwadratowych ( ^m2 )

V to prędkość wiatru w metrach na sekundę (m/s)

Fakt, że moc jest proporcjonalna do sześcianu prędkości wiatru, jest bardzo znaczący. Można to wykazać, wskazując, że jeśli prędkość wiatru się podwoi, moc wiatru wzrośnie ośmiokrotnie! Warto zatem znaleźć miejsce, które ma stosunkowo wysoką średnią prędkość wiatru.

Wiatr w waty

Chociaż powyższe równanie mocy daje nam moc wiatru, rzeczywista moc, którą możemy uzyskać z wiatru, jest znacznie mniejsza niż sugeruje ta liczba. Rzeczywista moc będzie zależeć od kilku czynników, takich jak rodzaj użytej maszyny i wirnika, wyrafinowanie konstrukcji łopatek, straty tarcia, straty w pompie lub innym sprzęcie podłączonym do maszyny wiatrowej, a także istnieją fizyczne ograniczenia ilości mocy, którą można realistycznie uzyskać z wiatru. Teoretycznie można wykazać, że każdy wiatrak może potencjalnie uzyskać maksymalnie 59,3% mocy z wiatru (jest to znane jako limit Betza). W rzeczywistości w przypadku pompy wiatrowej liczba ta wynosi zwykle około 30% do 40%, a w przypadku dużej turbiny wytwarzającej energię elektryczną około 45% maksymalnie (patrz sekcja dotycząca współczynnika wydajności poniżej).

Zatem modyfikując wzór na „Moc wiatru” możemy powiedzieć, że moc wytwarzaną przez maszynę wiatrową można podać następująco:

P _M = ½C _p ρAV ³

Gdzie,

P _M to moc (w watach) dostępna dla maszyny

C _p jest współczynnikiem wydajności maszyny wiatrowej

Warto również pamiętać, że maszyna wiatrowa będzie działać z maksymalną wydajnością tylko przez ułamek czasu, w którym działa, ze względu na zmiany prędkości wiatru. Przybliżone oszacowanie mocy wyjściowej pompy wiatrowej można uzyskać, korzystając z następującego równania;

P _A = 0,1 ^AV3

gdzie P _A to średnia moc wyjściowa w watach w ciągu roku V to średnia roczna prędkość wiatru w m/s

Zasady konwersji energii wiatrowej

Istnieją dwie podstawowe zasady fizyczne, dzięki którym można uzyskać energię z wiatru; są to albo siła nośna, albo siła oporu (lub kombinacja obu). Różnica między oporem a siłą nośną jest zilustrowana różnicą między użyciem żagla spinakera, który napełnia się jak spadochron i ciągnie żaglówkę z wiatrem, a olinowaniem bermudzkim, znanym trójkątnym żaglem, który odchyla się pod wpływem wiatru i pozwala żaglówce płynąć w poprzek wiatru lub lekko pod wiatr. Siły oporu zapewniają najbardziej oczywisty środek napędu, są to siły odczuwane przez osobę (lub obiekt) wystawione na działanie wiatru. Siły nośne są najbardziej efektywnym środkiem napędu, ale będąc bardziej subtelnymi niż siły oporu, nie są tak dobrze zrozumiane. Podstawowe cechy charakteryzujące siłę nośną i opór to:

• opór jest skierowany w kierunku przepływu powietrza
• winda jest prostopadła do kierunku przepływu powietrza
• generowanie siły nośnej zawsze powoduje wytworzenie się pewnej ilości oporu
• przy dobrym profilu aerodynamicznym siła nośna może być ponad trzydzieści razy większa niż opór
• urządzenia podnoszące są na ogół bardziej wydajne niż urządzenia ciągnące

Rodzaje i charakterystyka wirników

Istnieją dwie główne rodziny maszyn wiatrowych: maszyny o pionowej osi i maszyny o poziomej osi. Mogą one z kolei wykorzystywać siły nośne lub siły oporu, aby wykorzystać wiatr. Urządzenie podnoszące o poziomej osi jest najczęściej używanym typem. W rzeczywistości, poza kilkoma maszynami eksperymentalnymi, praktycznie wszystkie wiatraki zaliczają się do tej kategorii.

Istnieje kilka parametrów technicznych, które są używane do charakteryzowania wirników wiatraków. Współczynnik prędkości szczytowej jest definiowany jako stosunek prędkości końcówek wirnika wiatraka do prędkości swobodnego wiatru. Urządzenia oporowe zawsze mają współczynnik prędkości szczytowej mniejszy niż jeden i dlatego obracają się powoli, podczas gdy urządzenia nośne mogą mieć wysoki współczynnik prędkości szczytowej (do 13:1) i dlatego obracają się szybko w stosunku do wiatru. Udział mocy wiatru, którą wirnik może wydobyć, jest określany jako współczynnik wydajności (lub współczynnik mocy lub sprawność; symbol C _p ), a jego zmienność jako funkcja współczynnika prędkości szczytowej jest powszechnie stosowana do charakteryzowania różnych typów wirników. Jak wspomniano wcześniej, istnieje górny limit C _p = 59,3%, chociaż w praktyce rzeczywiste wirniki wiatrowe mają maksymalne wartości C _p w zakresie 25%-45%.

Solidność jest zwykle definiowana jako procent powierzchni wirnika, który zawiera materiał, a nie powietrze (patrz rysunki 1 i 2 poniżej). Maszyny o wysokiej solidności przenoszą dużo materiału i mają grube kąty łopatek. Generują znacznie wyższy początkowy moment obrotowy (moment obrotowy to siła skręcająca lub obrotowa wytwarzana przez wirnik) niż maszyny o niskiej solidności, ale są z natury mniej wydajne niż maszyny o niskiej solidności. Pompa wiatrowa jest zazwyczaj tego typu. Maszyny o niskiej solidności są zwykle używane do wytwarzania energii elektrycznej. Maszyny o wysokiej solidności będą miały niski stosunek prędkości do prędkości obrotowej i odwrotnie.

Wybór wirnika jest w dużej mierze podyktowany charakterystyką obciążenia, a zatem i końcowym zastosowaniem. Niektóre typowe typy wirników i ich charakterystyki przedstawiono w poniższej Tabeli 1.

Pompowanie wody

Dopasowanie wirnika i pompy

Podczas instalowania pompy wiatrowej ważne jest dopasowanie charakterystyki pompy i maszyny wiatrowej. Dobra interakcja między pompą a wirnikiem jest niezbędna. Najpopularniejszym typem pompy używanej do pompowania wody (szczególnie do pompowania wody z odwiertu) w połączeniu z wiatrakiem jest pompa tłokowa. Pompa tłokowa ma tendencję do dużego zapotrzebowania na moment obrotowy podczas rozruchu, ponieważ podczas rozruchu wirnik musi zapewnić wystarczający moment obrotowy, aby pokonać ciężar prętów pompy i wody w rurze wznoszącej — gdy wirnik się obraca, zapotrzebowanie na moment obrotowy maleje z powodu pędu obracającego się wirnika. Prędkość wiatru może następnie spaść do około 2/3 prędkości wiatru początkowego, zanim pompa wiatrowa się zatrzyma.

Inne popularne typy pomp używane do pompowania wiatrowego to pompa wnękowa progresywna lub pompa „Mono” i pompa odśrodkowa. Obie mają zalety w pewnych okolicznościach, ale obie są również drogie i rzadziej używane.

Rysunek 3. ilustruje typowy przykład nowoczesnej wielołopatkowej pompy wiatrowej. Wysoka solidność oznacza wysoki moment rozruchowy i roboczy oraz niską prędkość roboczą, co jest pożądane w przypadku stosowania z pompą tłokową.

Oczywiście ważne jest dopasowanie zapotrzebowania na pompowanie wody do dostępnego wiatru i stąd podjęcie decyzji o odpowiednim rozmiarze wirnika. Aby obliczyć zapotrzebowanie, musimy znać następujące dane:

• Wysokość podnoszenia wody - w metrach
• objętość wody, którą należy przepompować dziennie – w metrach sześciennych

W przypadku wody na poziomie morza przybliżone zapotrzebowanie na energię można obliczyć, korzystając z następującego równania:

E = 0,002725 x objętość x wysokość (w kilowatogodzinach)

Zazwyczaj wysokość pompowania może wynosić od kilku metrów do 100 m (czasami więcej), natomiast objętość wody potrzebnej do jej wykorzystania może wahać się od kilku metrów sześciennych dziennie do użytku domowego do kilkuset metrów sześciennych do nawadniania.

Anatomia pompy wiatrowej

Odwiert jest zdecydowanie najczęstszym źródłem wody, z którego pompa wiatrowa będzie czerpać wodę. Klasyczna wielołopatkowa pompa wiatrowa ma pompę tłokową pompującą do podwyższonego zbiornika magazynowego. Istnieje wiele innych możliwych konfiguracji, w zależności od rodzaju źródła wody i zapotrzebowania. Te maszyny mają średnicę wirnika od 1,5 do 8 metrów, ale rzadko przekraczają 4 lub 5 metrów. Moc jest przekazywana z wirnika do prętów pompy za pośrednictwem układu przekładniowego lub za pośrednictwem mechanizmu napędu bezpośredniego. Ruch prętów pompy powoduje, że pompa podnosi wodę do zbiornika. Następnie woda może być podawana do sieci dystrybucyjnej ze zbiornika. Funkcją łopatki ogonowej jest utrzymywanie wirnika zorientowanego w kierunku wiatru. Większość pomp wiatrowych ma łopatkę ogonową, która jest zaprojektowana do automatycznego zwijania (odwracania maszyny od wiatru) przy dużej prędkości wiatru, aby zapobiec uszkodzeniom.

Pompowanie wiatru za pomocą elektryczności

Chociaż wielołopatkowa pompa wiatrowa jest zdecydowanie najczęściej używaną pompą wiatrową, nie jest to jedyna dostępna opcja. Inną opcją, zwłaszcza gdy istnieje wymóg, aby pompa była umieszczona z dala od maszyny wiatrowej, jest użycie aerogeneratora do dostarczania energii elektrycznej do pompy elektrycznej. Chociaż są one zazwyczaj droższe, mają tę zaletę, że energię elektryczną można wykorzystać do innych zastosowań, gdy nie są używane do pompowania, a także że energię elektryczną można przechowywać w bateriach do wykorzystania, gdy prędkość wiatru jest niewystarczająca do bezpośredniego zasilania energią elektryczną.

Inne problemy

Produkcja lokalna

Pompy wiatrowe są produkowane w małych ilościach w różnych krajach na całym świecie. Istnieją producenci produkujący pompy wiatrowe w Europie, Australii, RPA i USA na eksport, ale istnieją również przedsiębiorstwa komercyjne w krajach rozwijających się produkujące pompy wiatrowe. Jeden z takich producentów, RIIC (Rural Industries and Innovations Centre) jest wymieniony poniżej.

W ciągu ostatnich kilku dekad powstało kilka projektów mających na celu przeniesienie technologii pomp wiatrowych do producentów na Południu i odniosły one pewien sukces. Jednym z takich sukcesów są pompy wiatrowe Kijito [1] (patrz rysunek 3), produkowane w Kenii. Pompa wiatrowa została pierwotnie opracowana przez Intermediate Technology Development Group – ITDG (obecnie znaną jako Practical Action) z siedzibą w Wielkiej Brytanii we współpracy z Bobs Harries Engineering Ltd. (BHEL), Kenii. BHEL dalej rozwinęło projekt Kijito i obecnie produkuje około 25 pomp wiatrowych rocznie, a jego zdolność produkcyjna wynosi do 50 maszyn.

Własność, użytkowanie, konserwacja i wpływ na środowisko Perspektywa użytkownika - Pompy wiatrowe w Botswanie W Botswanie przeprowadzono ankietę wśród właścicieli/użytkowników pomp wiatrowych. Celem było określenie własności, zakupu i instalacji, użytkowania, wpływu na środowisko i promocji pomp wiatrowych. Ankieta wykazała, że ​​54% pomp wiatrowych należało do gospodarstw domowych, a 23% do grup rolniczych lub syndykatów. Pozostałe (23%) były własnością społeczności. Większość pomp wiatrowych (85%) została zakupiona, a reszta została przekazana w formie darowizny. Pięćdziesiąt sześć procent respondentów kupiło pompy wiatrowe lub zebrało pieniądze z banków na ich zakup, podczas gdy 18% wykorzystało składki grupowe. Większość respondentów kupiła pompy wiatrowe od RIIC, lokalnego dostawcy. Instalację pomp wiatrowych wykonała RIIC w 69% przypadków, a właściciele i zagraniczni dealerzy odpowiednio w 23% i 8%. Dziewięćdziesiąt dwa procent respondentów uważało, że instalacja została wykonana w sposób zadowalający. Operatorzy zostali przeszkoleni przez dostawcę w 39% przypadków, a pozostali albo sami się nauczyli (31%), albo zostali przeszkoleni przez lokalnych techników (8%).

Wszyscy respondenci ujawnili, że pompy wiatrowe były używane do pompowania wody dla zwierząt gospodarskich, a także do nawadniania i celów domowych. Dziewięćdziesiąt dwa procent respondentów było zdania, że ​​pompa wiatrowa znacznie poprawiła ich zaopatrzenie w wodę. Osiemdziesiąt cztery procent uważało, że pompy wiatrowe zaspokajają potrzeby wodne społeczności. Trzydzieści jeden procent polegało wyłącznie na pompach wiatrowych do pompowania wody, podczas gdy 69% miało inne systemy. Respondenci postrzegali pompy wiatrowe jako dobrą technologię głównie dlatego, że były tańsze w użyciu. Jednym z problemów związanych z używaniem pomp wiatrowych była wysoka częstotliwość awarii. Czterdzieści sześć procent wskazało, że psuły się raz w roku, 31% dwa razy w roku, a 23% częściej niż trzy razy w roku. Główne naprawy były wykonywane przez RIIC (54%), lokalnych techników (8%) lub kombinację obu tych metod (8%).

Badanie dotyczyło również postrzegania przez respondentów wpływu na środowisko stosowania pomp wiatrowych. Większość (85%) uważała, że ​​pompy wiatrowe poprawiają krajobraz, podczas gdy 15% stwierdziło, że nie mają one żadnego wpływu. Nie odnotowano żadnych negatywnych skutków. 92% respondentów uważało również, że hałas pomp wiatrowych nie jest uciążliwy. Respondenci uważali, że przyjęcie technologii pomp wiatrowych było ograniczone przez takie czynniki, jak brak odpowiednich polityk, brak świadomości technologii, wysokie koszty konserwacji i nieodpowiednie reżimy wiatrowe.

Źródło: Mosimanyane i in. 1995 (cytowane w: Karekezi i Ranja 1997)

Odniesienia i źródła

• P. Fraenkel, R. Barlow, F. Crick, A. Derrick i V. Bokalders: Windpumps – przewodnik dla pracowników rozwojowych. ITDG Publishing, 1993
• David, A. Spera: Wind Turbine Technology, podstawowe koncepcje inżynierii turbin wiatrowych. ASME Press, 1994
• EW Golding: Generowanie energii elektrycznej za pomocą wiatru. Redwood Burn Limited, Trowbridge, 1976
• Hugh Piggot: Windpower Workshop, budowanie własnej turbiny wiatrowej. Centre for Alternative Technology, 1997
• S. Karekezi i T. Ranja: Technologie energii odnawialnej w Afryce. AFREPREN/SEI, 1997
• C. Borg i H. Oden: Pompa wiatrowa Kijito – prywatna inicjatywa w zakresie zaopatrzenia w wodę na obszarach wiejskich w Kenii, praca magisterska, Chalmers University of Technology, Goteborg, 1995
• Paul T. Smulders i Jan de Jongh: Pompowanie wiatru: status, perspektywy i bariery, artykuł, Renewable Energy, tom 5, część 1, s. 587-594, 1994

Producenci

Uwaga: Niniejsza lista dostawców jest wybiórcza i nie oznacza, że ​​Practical Action ją popiera.

Dane strony

Część	Praktyczne streszczenia techniczne działań
Słowa kluczowe	pompa wiatrowa , pompowanie , energia wiatru
Autorski	Curt Beckmann
Licencja	CC-BY-SA-3.0
Organizacje	Praktyczne działanie
Przeniesione z	https://practicalaction.org/ ( oryginał )
Język	Angielski (pl)
Tłumaczenia	Arabski , Turecki
Powiązany	2 podstrony , 77 stron link tutaj
Pseudonimy	Pompa wiatrowa , Pompy wiatrowe
Uderzenie	3022 odsłon ( więcej )
Stworzony	1 stycznia 2007 przez Curt Beckmann
Ostatnia modyfikacja	16 października 2024 przez Felipe Schenone
Cytuj jako	Curt Beckmann (2007–2024). „Practical Action/Windpumps” . Appropedia . Pobrano 26 lutego 2025 r .
Zapytania API	podstawowy , semantyczny , html , pliki , więcej