Powietrze

W mentalności ludów pierwotnych wiatr postrzegany był, jako odżywcze tchnienie, dusza oraz siły kosmiczne, które przywracają do życia. W pradawnych wierzeniach symbolizował także niewidzialną i niezrozumiałą, wręcz demoniczną potęgę.

 

W kosmogonii wiatr należał do czterech żywiołów, i wraz z ogniem utożsamiany był z tym co, ruchliwe i aktywne, posiadające męski pierwiastek. W wielu kręgach kulturowych powietrze uznano ponadto za żywioł pierwotny, który wystarczyło tylko sprężyć, by otrzymać ciepło, ogień, a zatem i życie. Już w czasach pradawnych wiatr stał się odczuwalnym symbolem życia i uniwersalną siłą napędową. W mitologii hinduskiej ten życiodajny aczkolwiek kapryśny żywioł uosabiał bóg Waju. Według wierzeń posiadał on moc obdarzania życiem dowolnego przedmiotu. Waju przedstawiany był zazwyczaj na gazeli, a w jego ręku trzepotała wielka chorągiew bądź kołysał się wachlarz, który do dziś postrzegany jest jako atrybut ruchu i powietrza.

 

W panteonie bóstw sumeryjskich niezwykle ważną postacią był Enlil – Pan wietrznego podmuchu, który uosabiał trzecią podstawową siłę w kosmosie – powietrze. Egipcjanie, zaś z życiodajnym tchnieniem utożsamiali boga – Amona boga płodności, obfitości, urodzaju, którego przedstawiali zazwyczaj jako króla w koronie z dwoma piórami. Czasem – by podkreślić znaczenie tego bóstwa, jego skórze nadawano niebieski odcień, symbolizujący niebo i nieśmiertelność.

 

 

Starożytni Grecy, animizując uniwersum utożsamili wiatr ze stronami świata. Rozróżniali także wyższe, świecące rejony powietrza – aither eter i niższe – air. Pierwszy z tych elementów z czasem zaczęto przedstawiać jako pierwiastkowy ogień, od którego swój początek wzięło słońce i gwiazdy. Aither eter stał się także w mitologii Greków siedzibą bogów. Według greckich wierzeń wiatrem zachodnim był Zefir, który jako delikatny, łagodny powiew zwiastował nadejście wiosny. Apeliotes symbolizował zaś podmuch ze wschodu, który przynosił burzę. Boreasz „szumiący” – uosabiając wiatr północny, był niebezpieczny dla żeglarzy za sprawą swego burzliwego charakteru i przenikliwego chłodu. Ostatni z nich – Notos przypisany został do południowej części świata i symbolizował wilgotny, letni podmuch. Potomkowie Homera wierzyli także, że bóstwem odpowiedzialnym za ruchy powietrza był nie tylko Hermes, ale i  Eol, mityczny władca wiatru. To właśnie on w głębi jaskini więził ten żywioł i  wypuszczał go bardzo ostrożnie, nie chcąc wyrządzić szkody urodzajowi. Dzięki przychylności Eola wór, w którym zostały zamknięte wszelkie niepomyślne wichry otrzymał Odyseusz. Niestety, załoga jego statku niepotrafiąca powstrzymać swej ciekawości, otworzyła tobołek i wypuściła z wnętrza wiatry, co spowodowało oddalenie się łodzi od widocznych już na horyzoncie brzegów Itaki.

 

W tradycji judeochrześcijańskiej w podmuchu powietrza widziano boską epifanię. W mitologii skandynawskiej istniał natomiast kowal Welanda, który posiadał moc pętania wiatru. Wśród ludów germańskich, nie znających prawdziwych przyczyn powstawania tego zjawiska, Welanda uznawany był za istotę boską, której należało składać ofiary. Z czasem w nordyckich wierzeniach moce burz i wichrów zaczął dzierżyć Wodan – Odyn. W tradycji perskiego mazdaizmu głównym zadaniem tego żywiołu było podtrzymywanie Wszechświata, a także regulowanie jego równowagi moralnej i fizycznej. W religii muzułmańskiej wiatr natomiast unosił trzepotem skrzydeł tron samego Allacha.

 

Nie ma ust - a dmucha, nie ma skrzydeł - a leci..."

 

W podaniach ludowych silnie zakorzeniona została wiara w potężną, wręcz transcendentalną moc natury, jako sacrum. Wiatr, był zatem utożsamiany z lotnym elementem, natchnieniem, środowiskiem przepełnionym światłem, głosem i zapachem czy spoiwem między niebem, a ziemią. Żywioł ten potrafił być postrzegany zarówno jako sprzymierzeniec, jak i wróg – podobną ambiwalencję można dostrzec w stosunku do pozostałych sił natury. Czasem opisywano go jako orzeźwiającą moc morskiej bryzy, która przynosiła ukojenie w upalne dni, czasem zaś jako niszczycielską trąbę powietrzną tratującą wszystko na swej drodze.

 

Wiatr to nic innego jak ruch powietrza, masa, która otacza Ziemię, miejsce w którym gromadzi się życiodajny dla nas ludzi tlen. Ten niezbędny składnik przyrody w podaniach ludowych przybierał często – ze względu na fakt, że żywioł ten jest niewidzialny – postać diabolicznej mocy, nieprzychylnej każdej istocie stworzonej przez Boga. W ten sposób próbowano wytłumaczyć wszelkie zniszczenia i szkody, które wyrządzał nagły podmuch wichury. Żywioł ten łączono również z samobójstwem przez powieszenie. Ludowe mity przekazywały bowiem, że człowiek targający się na własne życie był natychmiast porywany przez siły nieczyste do zakątków piekielnych. Wówczas też pojawił się jako efekt hulaszczych tańców diabła z duszą. Przenikliwe odgłosy towarzyszące ruchom powietrza utożsamiano ponadto z jękami i zawodzeniem osób tragicznie zmarłych, którzy zostali pochowani w nieodpowiedni sposób. Wijący się i świszczący wiatr miał zatem przypominać osobom żyjącym o zmarłych. Były to, według podań jednocześnie prośby o modlitwę, pamięć i współczucie. W kulturze ludowej istniał również pogląd, że dźwięki dobiegające z pieca w domu, świadczyły o cierpieniach duszy jakiegoś krewniaka. Na ziemiach polskich wierzono także, że wiatr jest główną przyczyną wszystkich chorób, w tym obłędu, owiania, paraliżu, a nawet źródłem wysypki. Ruch wirowy mas powietrza przywoływał Słowianom na myśl zawroty głowy, odejście od zmysłów czy opuchliznę.

 

Zaprzęgając wiatr

 

Ruch powietrza od wieków był wykorzystywany jako źródło energii do mielenia zboża w młynach, pompowania wody i nawadniania pól uprawnych. Jednym z najstarszych sposobów podporządkowania siły wiatru woli ludzkiej były łodzie żaglowe, które pojawiły się na wodach starożytnego Nilu w czwartym tysiącleciu przed Chrystusem. Podwładni faraonów wyposażyli swoje statki w czworokątne żagle, które przy pomyślnych północnych podmuchach pozwalały płynąć w górę rzeki. Egipcjanie wykorzystywali w tym celu najprostsze ożaglowanie rejowe. Żagiel rozpinany był pomiędzy dwoma poziomymi drzewcami umieszczonymi na maszcie statku. W ten sposób energia wiatru napędzała łodzie i pozwalała na szybszy transport, aniżeli przy pomocy wioseł. Dzięki temu wynalazkowi w następnym tysiącleciu Egipcjanie zaczęli zapuszczać się swymi żaglowcami na wschód, wzdłuż wybrzeży Morza Śródziemnego po słynne cedry libańskie, których pnie zachowały się w piramidzie faraona Snerfu, w miejscowości Dahszur.

 

Omawiając potencjał powietrza, warto wspomnieć o latawcu. Według legendy jego wynalezienie zawdzięczamy rolnikowi z Chin, który – chcąc uniknąć porwania kapelusza przez wiatr – przywiązał go linką. Inne źródła wskazują, że latawiec powstał na placu boju, około 2000 roku przed Chrystusem, kiedy Han Hsin z dynastii Han, wzniósł go w powietrze, chcąc określić odległość, jaką muszą pokonać jego oddziały, by dotrzeć do murów miasta. Od tego czasu proste konstrukcje, składające się z czterech listew i pokryte tkaniną, zaczęto używać podczas walk do przekazywania dowódcom krótkich wiadomości, a wszystko to za pomocą szyfru – koloru, kształtu, a nawet ruchu latawca.

 

 

Z czasem wynalazek ten zawędrował wraz z kupcami i żeglarzami do Korei, Japonii oraz na Archipelag Malajski. W Kraju Kwitnącej Wiśni latawcowi przypisano kolejne funkcje. Jedną z nich było chociażby symboliczne odganianie złych duchów. Na Stary Kontynent ta latająca konstrukcja trafiła prawdopodobnie za sprawą Marco Polo około XIII wieku, a jej zastosowanie było przeróżne w zależności od potrzeb – od przekazywania prostych informacji, po narzędzie badawcze.

 

Niezwykle ważnym dla rozwoju ludzkości wynalazkiem, który pozwolił człowiekowi ujarzmić naturę wiatru, okazał się wiatrak. Energia wiatrowa była zatem najwcześniej eksploatowaną energią odnawialną. Mistrzami w kontrolowaniu wiatru okazywali się mieszkańcy Seistanu, którzy, jak podaje w swoich pismach z X wieku arabski geograf Al-Istakhvi, pierwsi skonstruowali młyny z kołami obracanymi przez masy powietrza. W porównaniu do europejskich budowli, wiatraki te miały pionową oś obrotu i swoją konstrukcją przypominały drzwi obrotowe. Archeolodzy, tworzący rekonstrukcje dawnych wynalazków wskazują, że z wału, na końcu którego przymocowany był ruchomy kamień młyński, rozchodziło się promieniście od 6 do nawet 12 płóciennych skrzydeł. By konstrukcja działała bez zarzutu należało jedną stronę młyna osłonić murem i tym samym zapewnić ruch powietrza tylko z jednego kierunku. Wkrótce pojawiły się modyfikacje technologiczne, które nie wymagały pracochłonnego przestawiania muru. Według zapisu Al-Dimaszkiego z przełomu XIII –XIV wieku mieszkańcy Seistanu wznieśli budowlę (o wysokości minaretu) składającą się z dwóch części umieszczanych jedna na drugiej. W górnej części mieścił się młyn, zaś w dolnej usytuowano urządzenie napędzane siłą wiatru. Obracające się mechanizmy poruszały również żarna znajdujące się na górze, a cała konstrukcja funkcjonowała niezależnie od kierunku wiatru. Rozwiązanie takie osiągnięto za sprawą czterech specjalnych otworów wykonanych w młynie, które z zewnątrz były szersze, by wiatr mógł docierać swobodnie do środka. Podmuch wpadał do młyna przez jedną ze szczelin, gdzie – w zależności od kierunku z którego wiał – na swej drodze napotykał machinę z obitymi w płótno żebrami, które pod wpływem swego naporu wprawiał w ruch. Machina uruchamiała natomiast kamienie młyńskie na górze, które mieliły ziarno.

 

Naukowcy wskazują, że nieprzypadkowo właśnie na tych terenach wynaleziono wiatraki. Ludność zamieszkująca te ziemie została zmobilizowana do tego brakiem rzek czy strumieni, które napędzałyby młyny wodne. Istnieją teorie, że do odkrycia wiatraków przyczyniły się koła wodne o poziomej osi obrotu rozpowszechnione na terenach górzystych. Inspiracją mogły być również młynki modlitewne o poziomej osi poruszane przez wiatr znane w Azji Środkowej. Ten typ wiatraka, zwany karuzelowym rozpowszechnił się głównie w krajach arabskich, choć w XII wieku dotarły one nawet do Chin. W Egipcie stosowano go do skruszania trzciny cukrowej.

 

 

Mąka bez męki

 

Trudno jednoznacznie odpowiedzieć na pytanie, czy wiatraki europejskie wywodzą się od karuzelowych modeli seistańskich, czy powstały niezależnie od nich. Pojawienie się pierwszych młynów wietrznych na terenie Starego Kontynentu (na obszarze Belgii bądź Francji) datuje się na początek XII wieku. W kolejnym stuleciu budowle te zaczęły się rozpowszechniać w całej Europie. Pierwsze konstrukcje młynów wiatrowych wykorzystywały, w odróżnieniu od modeli karuzelowych, poziomą oś obrotu przez co okazywały się bardziej wydajne, ponieważ wiatr działał na całą powierzchnię drewnianych skrzydeł.

 

Popularne w Polsce koźlaki swą nazwę zawdzięczają charakterystycznemu kozłowi, czyli specjalnej podstawie podtrzymującej centralnie usytuowany, pionowy słup – tzw. sztember, wokół którego obracano całą konstrukcję. Koźlaki były drewnianymi, zazwyczaj dwukondygnacyjnymi budynkami na planie prostokąta, które przetrwały bez większych zmian konstrukcyjnych do XX wieku. Wiatraki te należało przed rozpoczęciem pracy w odpowiedni sposób ustawić. Obracano zatem całą budowlę po to, by skrzydła mogły przyjąć odpowiednie położenie w stosunku do kierunku wiatru.

 

Innym wariantem młyna wietrznego był tzw. holender, czyli murowany wiatrak wieżyczkowy o nieruchomym korpusie i obracającej się „czapie” dachu z przymocowanymi skrzydłami, które obracano w kierunku wiatru za pomocą specjalnych łożysk. Istnieją teorie, że twórcą tego modelu był Leonardo da Vinci, ponieważ w krajach śródziemnomorskich można było spotkać podobne konstrukcje o skrzydłach utworzonych z żagli rozwijanych bądź refowanych w zależności od siły podmuchu. Najprawdopodobniej chodziło o saliny, które już w starożytności pozwalały na produkcję soli w procesie przepompowywania między basenami wody morskiej. Inni badacze twierdzą natomiast, że wynalazek ten skonstruował w 1557 roku holenderski architekt Jan Adriaanszoon Leeghwater.

 

Konstrukcja ta rozpowszechniła się głównie na terenie Holandii, dlatego z czasem stała się znamiennym elementem tamtejszego krajobrazu, a same wiatraki zyskały miano holendrów. W 1750 roku model ten został udoskonalony przez szkockiego konstruktora maszyn rolniczych Andrew Meikle’a. Inżynier zamontował po przeciwległej stronie dużych skrzydeł wiatraczek (turbinę wiatrową), który za pomocą przekładni zębatych regulował ustawienie czapy w stosunku do kierunku wiatru.

 

Trzeci typ wiatraków – tzw. paltrak- posiadał cechy wspólne zarówno koźlaka, jak i konstrukcji wieżyczkowej. Sam budynek przypominał model kozłowy, natomiast zasada obrotu młyna za pomocą skrzydeł zgodnie z kierunkiem podmuchu masy powietrza nawiązywała do budowli holendra. Różnica tkwiła natomiast w płaszczyźnie obrotu, ponieważ w tym przypadku budowla obracała się powyżej podmurówki, dzięki wmontowanym łożyskom pozwalającym na swobodny ruch reszty wiatraka.

 

 

Młyny wiatrowe przez długi czas służyły wyłącznie do mielenia ziaren na mąkę, choć należy pamiętać o salinach. W 1344 roku na terenie Holandii użyto ich do przepompowywania wody, a tym samym osuszania i regulowania poziomu wód na nizinach. Były to wiatraki czerpakowe, które stawiano na terenach podmokłych wymagających osuszenia (w Polsce sytuowano je na Żuławach). Konstrukcje koźlaków czy holendrów budowano nad kanałami wyposażonymi w śluzy, a  obracające się czerpaki przepychały wodę do sąsiadującego z wiatrakiem wyższego akwenu. Modele osuszające zbierały wodę z nisko położonych części do rowów znajdujących się na odpowiednim poziomie. Wykorzystując energię wiatraków do osuszania terenów depresyjnych, można było napotkać na znaczną różnicę wysokości między poziomami. Stosowano wówczas cały zespół urządzeń, a ich ilość uzależniona była od bezwzględnej różnicy poziomów w zbiornikach wodnych. Technologię tę nazywano osuszaniem poziomowym. W Holandii konstrukcje te stosowano także do napędu pogłębiarki, tartaku, olejarki, choć – jak podają niektórzy badacze historii – wykorzystywanie wiatraków w zakładach produkcyjnych napotkało na wyraźny opór ze strony pracowników, którzy obawiali się bezrobocia, przez co dochodziło nawet do rozruchów.

 

Konstrukcję wiatraków z czasem zaczęto modyfikować, a w Anglii poddano je nawet głębszej analizie naukowej. John Smeaton (1724-1792), badacz wydajności silników stwierdził, opierając swe wyniki na doświadczeniach, że wiatraki rzadko produkowały więcej aniżeli 10 kW energii, choć osiągalne było nawet 20kW.

 

Amerykańskie konstrukcje

 

O prawdziwej rewolucji w energetyce wiatrowej możemy mówić od 1888 roku, kiedy to Charles Francis Brush zbudował pierwszą samoczynnie działającą siłownię wiatrową o mocy 12 kW. Pionier przemysłu elektrotechnicznego skonstruował turbinę o średnicy 17 metrów ze 144 łopatami z drzewa cedrowego, która przez 20 lat ładowała akumulatory znajdujące się w piwnicy jego posiadłości. W tym czasie wielu inżynierów oraz wynalazców amatorów pracowało nad konstrukcjami przydomowych turbin wiatrowych. Na amerykańskich farmach bardzo popularne były wiatraki wytwarzające energię i napędzające pompy wodne. Dopiero Duńczyk Poul la Cour wykazał, że znacznie wydajniejsze dla generatorów elektrycznych są wirniki posiadające kilka łopat. Pozyskiwaną energię elektryczną la Cour stosował do produkcji wodoru w procesie elektrolizy, który następnie wykorzystywał do lamp gazowych, by te mogły oświetlić jego szkołę.

 

Intensywny rozwój małej energetyki wiatrowej w Stanach Zjednoczonych i w Europie został zahamowany światowym kryzysem gospodarczym w latach 30. XX wieku i II wojną światową. Co prawda w 1941 roku rozpoczęła pracę pierwsza elektrownia napędzana wiatrem Grandpa’s Knob w Rutland (Vermont, USA) o mocy 1250 kW, lecz rzeczywiste ożywienie nastąpiło dopiero w latach 50. ubiegłego wieku.

 

 

Technologię współczesnej turbiny wiatrowej opracował w 1957 roku jeden z uczniów la Coura, duński inżynier Johannes Juul i jako pierwszy zbudował siłownię wiatrową z generatorem prądu przemiennego. Jego rozwiązania konstrukcyjne zastosowane w elektrowni wiatrowej o mocy 200 kW powstałej w 1959 roku w nadmorskiej miejscowości Gedser w Danii, do dziś uważane są za nowoczesne. Turbina Gedser pracowała bez zarzutu przez 11 lat, po czym po awarii w 1960 roku, została zakupiona przez amerykańską agencję NASA, która wykorzystała ją do badań nad rozwojem innowacyjnych technologii. W 1960 roku na świecie pracowało już ponad milion siłowni wiatrowych.

 

Do ponownego zainteresowania wykorzystywaniem wiatru do celów energetycznych przyczyniły się kryzysy paliwowe w 1956 roku i w połowie lat siedemdziesiątych. Pierwszy spowodowany był wojną w Egipcie, drugi wstrzymaniem dostaw ropy naftowej przez większość członków zrzeszonych w Organizacji Krajów Eksportujących Ropę Naftową (OPEC ang. Organization of the Petroleum Exporting Countries).

 

Interes się kręci

 

Lata 80. XX wieku przyniosły rozwój przemysłowej energetyki wiatrowej. W Stanach Zjednoczonych rząd federalny wprowadził energetykę wiatrową do krajowego programu badań i rozwoju. Zanim jednak nastąpił boom, przez wiele lat zespoły inżynierów dopracowywały turbiny wiatrowe, generatory, automatykę i elementy mechaniczne. Dzięki równoczesnemu rozwojowi inżynierii materiałowej, powstaniu nowych technologii, elektrotechniki, pojawiały się turbiny coraz większe i bardziej wydajne, i zarazem mniej awaryjne. Początkowo o mocy 600 kW, potem 800 kW, wkrótce przekroczyły 1 MW.

 

Obecnie generatory osiągają moc kilku megawatów. Systemy sterowania w turbinach są bardzo rozbudowane i obejmują automatyczne naprowadzanie wirnika na wiatr w celu maksymalnego wykorzystania jego energii, automatyczną płynną regulację napięcia i częstotliwości generatora prądu, załączanie i wyłączanie elektrowni. Przy ich budowie coraz częściej wykorzystuje się osiągnięcia przemysłu lotniczego. Za przykład może posłużyć konstrukcja polska WE-10, wykonana przez Instytut Budownictwa, Mechanizacji i Elektryfikacji Rolnictwa, w której zostały adaptowane łopaty ze skrzydeł nośnych śmigłowca Mi2. Do budowy śmigieł używane są również różnorodne materiały, takie jak np. stal, kompozyt, włókno szklane itp.

 

Wersja do druku Wersja do druku | Mapa witryny
© Całość praw autorskich: Filip Wiśniewski