Понимание ветряной турбины

Сегодня в Соединенных Штатах ветряная турбина является одним из распространенных и наиболее чистых способов выработки электроэнергии. Это производство электроэнергии происходит от массивной ветряной электростанции до небольших турбин, питающих один дом. Ветряные турбины по всему миру производят чистую электроэнергию, способную удовлетворить различные потребности в энергии.

Сегодня вы познакомитесь с определением, применением, функцией, компонентами, схемой, типами и работой ветряной турбины. Вы также узнаете о преимуществах и недостатках этих типов ветряных турбин.

Что такое ветряная турбина?

Ветряная турбина — это машина, которая преобразует кинетическую энергию ветра в чистое электричество. Его также можно рассматривать как устройство, преобразующее кинетическую энергию ветра в чистую возобновляемую электрическую энергию.

Лопасти турбины вращаются со скоростью от 13 до 20 оборотов в минуту, хотя это зависит от их технологии. Это может быть связано с постоянной или переменной скоростью, то есть скорость ротора отличается по отношению к скорости ветра. Это часто помогает достичь большей эффективности.

Ветряные турбины рассчитаны на средний срок службы более 25 лет. Быстрое развитие ветряных технологий привело к повышению долговечности и удобства использования ветряных турбин.

Ветряные турбины имеют широкий диапазон размеров и типов, как с горизонтальной, так и с вертикальной осью. Их можно назвать ветряными электростанциями. где установлены сотни тысяч крупных турбин. Они производят более 650 гигаватт электроэнергии, и каждый год добавляется 60 ГВт, что делает их все более важным источником прерывистой возобновляемой энергии. В большинстве стран ветряные турбины используются для снижения затрат на энергию и сокращения использования ископаемого топлива.

Применение ветряной турбины

Применение ветряной турбины настолько обширно, что энергия требуется почти во всех явлениях человека. С самого начала использования энергии ветра она использовалась для выработки механической энергии. Еще в 5000 году до нашей эры египтяне использовали энергию ветра для движения лодок по реке Нил. Американский колонист использует систему для откачки воды, измельчения зерна и рубки древесины на лесопилках.

Сегодня ветряные турбины меньшего размера используются для таких приложений, как предупреждающие знаки о дорожном движении, зарядка аккумуляторов для вспомогательного питания лодок или караванов. Более крупные турбины предназначены для обеспечения бытового электроснабжения, поскольку неиспользованная энергия продается обратно поставщику коммунальных услуг через электрическую сеть.

Кроме того, на больших турбинах они используются для подачи электроэнергии в сеть мощностью от 100 киловатт до нескольких мегаватт. Эти турбины коммунального масштаба часто группируются в ветряных электростанциях, чтобы можно было производить большее количество электроэнергии. Произведенной энергии хватит для питания десятков тысяч домов.

В небольших ветряных турбинах они, как правило, расположены рядом с источниками питания, например, рядом с водонасосными станциями, домами, телекоммуникационными антеннами и т. Д. Они генерируют до 100 киловатт. Эта турбина иногда подключается к дизельным генераторам, батареям и фотогальваническим системам. Ее также называют гибридной ветровой системой.

Наконец, морские ветряные турбины, как правило, массивнее и выше. Они способны улавливать мощные океанские ветры и генерировать огромное количество энергии — около 4000 гигаватт электроэнергии. Он часто используется во многих странах для использования сильной энергии.

Примечание :основная функция ветряной турбины — генерировать электроэнергию или напрямую использовать ее для получения механической энергии.

Компоненты ветряной турбины

Ветряные турбины преобразуют энергию ветра в электрическую энергию для распределения. Ниже представлены компоненты обычных турбин с горизонтальной осью.

• Ротор — на него ушло примерно 20% стоимости устройства, включая лопасти, преобразующие энергию ветра в низкоскоростную энергию вращения.
• Генератор — потребовалось около 34% стоимости ветряной турбины, включая электрический генератор, управляющую электронику и, скорее всего, редуктор (например, планетарный редуктор), привод с регулируемой скоростью или бесступенчатую трансмиссию. Эти компоненты ветряной турбины отвечают за преобразование низкоскоростного поступающего вращения в высокоскоростное вращение, подходящее для выработки электроэнергии.
• Окружающая конструкция — составляет примерно 15 % от стоимости ветряной турбины, включая башню и механизм рыскания ротора.

Схема ветряной турбины:

Типы ветряных турбин

В основном существует два типа ветряных турбин:с горизонтальной осью и с вертикальной осью.

Ветряные турбины с горизонтальной осью:

В настоящее время большинство ветряных турбин используют горизонтальную ось, что означает, что лопасти пропеллерного типа предназначены для вращения вокруг горизонтальной оси. Эти типы ветрогенераторов либо против ветра, то есть ветер ударяет по лопастям раньше башни. Другой тип — с подветренной стороны, когда ветер бьет в башню раньше, чем лопасти.

Навстречу ветру используются привод рыскания и двигатель, компоненты, которые поворачивают гондолу, чтобы удерживать ротор лицом к ветру при изменении его направления. Это достигается с помощью датчика ветра, установленного на системе рыскания для более крупных турбин. Маленькие турбины направлены на простой флюгер.

Ветряная турбина с горизонтальной осью сокращенно называется HAWT. Сегодня широко распространено, что большие трехлопастные ветряные турбины с горизонтальной осью и лопастями, расположенными с наветренной стороны башни, сегодня производят подавляющую часть ветровой энергии в мире.

Типы турбин с подветренной стороны были построены, чтобы исключить некоторые дополнительные механизмы, удерживающие их на одной линии с ветром. Его лопасти сгибаются при сильном ветре, что снижает их площадь охвата и, следовательно, сопротивление ветру.

Несмотря на преимущества, предлагаемые по ветру, конструкции против ветра по-прежнему предпочтительнее. Это связано с тем, что изменение нагрузки от ветра при прохождении каждой лопасти за опорной башней может привести к повреждению турбины.

Ветряные турбины с вертикальной осью:

Ветряные турбины с вертикальной осью или VAWT имеют вал главного ротора, расположенный вертикально. Цель такого расположения заключается в том, что турбине не нужно направлять ветер для повышения эффективности. Это преимущество для мест, где направление ветра сильно изменчиво. Это также преимущество, когда турбина встроена в здание, потому что она по своей природе менее управляема.

В этих типах ветряных турбин генератор и редуктор могут быть размещены близко к земле с использованием прямого привода от узла ротора к наземному редуктору. Это улучшает доступность для обслуживания. Однако эти конструкции потребляют гораздо меньше энергии, усредняемой с течением времени, что является серьезным недостатком.

Вертикальные типы турбин имеют гораздо меньший КПД, чем горизонтальные конструкции. Относительно низкая скорость вращения с последующим более высоким крутящим моментом и более высокой стоимостью трансмиссии также влияет на систему. Эти типы ветряных турбин делятся на две основные конструкции:

Турбина Савониуса, основанная на перетаскивании – у них обычно есть роторы со сплошными лопастями, которые вращаются вокруг вертикальной оси.

Лифтовая турбина или турбина Дарье - имеют высокий вертикальный аэродинамический профиль, хотя некоторые из них имеют форму взбивалки. Ветряной шпиль – это тип турбины, основанной на подъемной силе, хотя он все еще проходит независимые испытания.

Работа ветряной турбины

Работа ветряной турбины менее сложна и ее легко понять. Большинство ветряных турбин состоят из трех лопастей, хотя встречаются и двухлопастные. Эти лопасти крепятся к башне из трубчатой ​​стали. Турбина использует более высокие скорости ветра на больших высотах, поскольку башня находится на высоте 100 футов или более над землей.

Энергия ветра улавливается лопастями, похожими на пропеллеры, похожими на крыло самолета. Так, когда дует ветер, на одной стороне лопасти образуется карман воздуха низкого давления. Затем этот воздушный карман низкого давления притягивает лопасть к себе, заставляя ротор вращаться. Это известно как лифт. Сила левой намного сильнее, чем сила ветра на передней стороне лопасти, которая называется сопротивлением. Сочетание подъемной силы и сопротивления заставляет ротор вращаться как пропеллер.

Ряд зубчатых колес используется для увеличения скорости вращения ротора примерно с 18 оборотов в минуту. Это примерно 1800 оборотов в минуту, что позволяет генератору турбины производить электричество переменного тока.

Как уже говорилось ранее, гондола является частью, в которой находятся некоторые ключевые компоненты турбины. К ним относятся роторы, шестерни и генераторы, установленные на башне турбины. Эти гондолы достаточно большие. Другой важной частью является контроллер турбины, который удерживает скорость ротора от превышения 55 миль в час. Это помогает защитить систему от сильного ветра.

Анемометр используется в системе для непрерывного измерения скорости ветра и отправки данных на контроллер. Гондола также содержит тормоз, который останавливает ротор механически, электрически или гидравлически в аварийном случае.

Посмотрите видео ниже, чтобы узнать больше о работе ветряной турбины:

Преимущества и недостатки ветряных турбин

Преимущества:

Ниже приведены преимущества ветряных турбин в различных областях их применения:

• HAWT с высокой башней, основание обеспечивает доступ к более сильному ветру в местах со сдвигом ветра.
• Высокая эффективность, так как лопасти движутся перпендикулярно ветру, получая мощность на протяжении всего вращения в HAWT.

Для ВАВТ

• Они производят электричество при любом направлении ветра.
• Низкие производственные затраты по сравнению с ветряными турбинами с горизонтальной осью.
• Мощная опорная башня не требуется
• Легко переносить из одного места в другое
• Низкие затраты на обслуживание.
• Может быть установлен городской район.

Недостатки

Несмотря на хорошие преимущества этих типов ветряков, некоторые ограничения все же имеют место. Ниже приведены недостатки ветряных турбин.

Для ГАВТ:

• Требуется строительство массивной башни.
• Такие компоненты, как редуктор, вал ротора и тормозной узел, поднимаются на место.
• Варианты с подветренной стороны подвержены усталости и разрушению конструкции.

Для ВАВТ:

• Эффективность очень низкая по сравнению с HAWT.
• Ощущается сильная вибрация.
• Создается шумовое загрязнение.
• Из-за вибрации увеличивается износ подшипников, что приводит к высоким затратам на техническое обслуживание.
• Требуется начальный толчок для запуска.

Заключение

Ветряные турбины — это машины, которые преобразуют кинетическую энергию ветра в чистое электричество. Он бывает двух типов, которые обозначаются аббревиатурой HAWT и VAWT. Вся работа по-разному и предлагает разные преимущества. Это все для этой статьи, где мы объяснили определение, применение, функции, компоненты, схему, типы и работу ветряной турбины. Мы также перечисляем преимущества и недостатки этих ветряков.

Я надеюсь, что вы многое почерпнули из этого поста, если да, поделитесь им с другими студентами. Спасибо за чтение. Увидимся в следующий раз!