Технология ветряных турбин: история, дизайн и будущее влияние

История

Ветряная турбина преобразует кинетическую энергию ветра в вращательную механическую энергию, которую затем можно конвертировать в электричество через генератор. Тысячелетиями ветряные мельницы питали водяные насосы и зерновые мельницы; первые электрические ветряные турбины появились в 1920-х, но ранние модели были ограничены в мощности и надежности.

В 1934 году Палмер С. Патнэм построил первую крупномасштабную турбину США, 33,5-метровую башню с 53-метровыми нержавеющими лопастями, генерировавшую 1250 кВт — достаточно для обслуживания небольшого города. Проект был брошен в 1945 году из-за механической поломки.

Нефтяной эмбарго 1970-х возобновило интерес к ветроэнергетике. В 1975 году прототип DOE Mod-O выработал 100 кВт с 19-метровыми лопастями, и последующие модели (Mod-OA, Mod-1, Mod-2 и др.) росли в размере и выходе. Сегодня DOE нацеливается на турбины, превышающие 3200 кВт.

Хотя вертикально-осевые турбины Дарриеуса существуют, горизонтально-осевые дизайны доминируют на коммерческих рынках. Трехлопастные горизонтальные турбины, обычно до 30 м длины, работают плавнее и легче балансируются, чем двухлопастные версии, делая их наиболее экономичным выбором для многих применений.

По всему США ветряные фермы — особенно в Калифорнии — насчитывают тысячи турбин. В настоящее время 17 000 турбин производят 3,7 млрд кВт·ч ежегодно, достаточно для 500 000 домов.

Сырье

Турбина состоит из трех основных компонентов: башни, гондолы и роторных лопастей.

• Башня — обычно стальная решетчатая или трубчатая структура, часто покрытая цинковым сплавом для коррозионной стойкости. Башни в среднем 80 футов (24 м) высотой и весят около 19 000 фунтов (8600 кг). Их фабрикуют вне площадки и собирают на месте болтами, затем поднимают на место краном.
• Гондола — стекловолоконная оболочка, содержащая приводной вал, коробку передач, управление шагом лопастей и системой разворота. Гондола также содержит генератор и электронику. Типичная гондола весит ~22 000 фунтов (10 000 кг).
• Лопасти — большинство коммерческих лопастей из стекловолокна с полым ядром; альтернативы включают легкое дерево и алюминий. Стандартная 15-метровая стекловолоконная лопасть весит ~2500 фунтов (1130 кг). Лопасти собирают вокруг двухчастной формы, отверждают и финишируют шлифовкой, герметизацией и покраской.
• Распределительная коробка — расположенная у основания башни, она содержит систему преобразования энергии и соединяется с сетью кабелями к соседним турбинам и трансформатору.

Производственный процесс

Успешное строительство турбины начинается с тщательного выбора места: постоянные ветра, превышающие 15,5 миль/ч (25 км/ч) и близость к линиям электропередачи — существенны. Идеальные локации — открытые, слегка холмистые территории у хребтов или горных цепей, воронкающие ветер.

Подготовка площадки

• Дороги планируют и асфальтируют для размещения тяжелого оборудования.
• Каждая база турбины получает бетонный фундамент, подземные кабели и соединение с диспетчерским центром.

Установка башни

• Предварительно собранные стальные секции закапывают на месте, затем поднимают на место краном. Устойчивость верифицируют перед финальным затягиванием.

Установка гондолы

• На заводе внутренняя шестеренная передача, шаг и разворотные механизмы собирают на базовой раме.
• На площадке гондолу поднимают на завершенную башню и закапывают в позицию.

Крепление роторных лопастей

• Лопасти обычно закапывают к гондоле после установки башни.
• Для более легкой наземной сборки некоторые турбины монтируют две лопасти на гондолу сначала, затем крепят третью после установки гондолы.

Установка систем управления

• Распределительная коробка и электрическая коммуникационная система турбины устанавливают одновременно с гондолой и лопастями.
• Кабели идут от гондолы к распределительной коробке, и оттуда к диспетчерскому центру.

Контроль качества

Производство ветряных турбин — относительно новая отрасль, и стандартизированные контролы качества все еще эволюционируют. Распространенные проблемы включают трещины в лопастях, ошибки выравнивания и отказы электрических датчиков из-за скачков напряжения. Производители принимают более строгие протоколы тестирования и сенсорные технологии для смягчения этих рисков.

Графики обслуживания критичны: инспекции происходят ежеквартально, с большими проверками каждые шесть месяцев, включающими смазку, проверку уровня масла и на месте электрическую диагностику.

Экологические преимущества и недостатки

Ветряные турбины генерируют чистую электричество, не выбрасывая загрязнителей. В отличие от этого, уголь, нефть и природный газ выбрасывают 1–2 фунта CO₂ на кВт·ч. Текущие 3,7 млрд кВт·ч от американских ветряных ферм эквивалентны примерно 4 млн баррелям нефти или 1 млн тоннам угля.

Недостатки включают визуальное воздействие и шум, а также случайные столкновения птиц. Выбор места — избегание диких зон и миграционных путей — вместе с текущими исследованиями по снижению шума помогают смягчить эти проблемы.

Будущее

Потенциал ветроэнергетики остается в значительной степени нереализованным. Министерство энергетики США проецирует десятикратный рост выработки к 1995 году и семьдесятикратный к 2005 году, что может привести ветроэнергетику к 10% американского производства электричества.

Исследования фокусируются на продлении срока службы турбин от 5 лет до 20–30 лет, улучшении эффективности лопастей (теоретический предел 59,3%, но текущие турбины в среднем ~30%), повышении долговечности привода и укреплении защиты от скачков. DOE сотрудничает с ведущими корпорациями для решения механических неисправностей через инициативы 2020–2030.

Глобальные производители, такие как U.S. Windpower, планируют расширить мощность от 4200 МВт (8000 турбин) до 20 000 МВт (20 000 турбин) к 2000 году. Международные сотрудничества ускоряют принятие в развивающихся странах, в то время как Дания нацелена удвоить свою ветроэнергетическую выработку.

Заключение

По мере созревания технологии ветряные турбины станут более эффективными, надежными и широко распространенными — предлагая устойчивый путь к удовлетворению растущих энергетических потребностей при защите планеты.