Ветряная турбина

<час />

Фон

Ветряная турбина - это машина, которая преобразует кинетическую энергию ветра в механическую энергию вращения, которая затем используется для выполнения работы. В более продвинутых моделях энергия вращения преобразуется в электричество, наиболее универсальную форму энергии, с помощью генератора.

Тысячи лет люди использовали ветряные мельницы для перекачивания воды или измельчения зерна. Даже в двадцатом веке высокие, тонкие ветряные турбины с несколькими лопастями, полностью сделанные из металла, использовались в американских домах и ранчо для закачки воды в водопроводную систему дома или в поилку для скота. После Первой мировой войны были начаты работы по разработке ветряных турбин, которые могли бы производить электричество. Марселлус Джейкобс изобрел прототип в 1927 году, который мог обеспечивать питанием радиоприемник и несколько ламп, но не более того. Когда позже спрос на электроэнергию увеличился, небольшие ветряные турбины Джейкобса вышли из строя.

Первая крупномасштабная ветряная турбина, построенная в Соединенных Штатах, была задумана Палмером Косслеттом Патнэмом в 1934 году; он закончил его в 1941 году. Машина была огромной. Башня была 36,6 ярда (33,5 метра) в высоту, а два ее элемента из нержавеющей стали лезвия имели диаметр 58 ярдов (53 метра). Ветряная турбина Патнэма могла производить 1250 киловатт электроэнергии, чего было достаточно для удовлетворения потребностей небольшого городка. Однако в 1945 году он был заброшен из-за механической неисправности.

С введением нефтяного эмбарго 1970-х годов Соединенные Штаты снова начали рассматривать возможность производства дешевой электроэнергии с помощью ветряных турбин. В 1975 году опытный образец Mod-O находился в эксплуатации. Это была турбина мощностью 100 киловатт с двумя 21-метровыми (19-метровыми) лопастями. Затем последовали другие прототипы (Mod-OA, Mod-1, Mod-2 и т. Д.), Каждый из которых был крупнее и мощнее предыдущего. В настоящее время Министерство энергетики США стремится выйти за пределы 3200 киловатт на машину.

Существует множество различных моделей ветряных турбин, наиболее яркой из которых является модель Дарье с вертикальной осью, которая имеет форму взбивания яиц. Однако наиболее популярной коммерческими производителями является турбина с горизонтальной осью, мощностью около 100 киловатт и тремя лопастями длиной не более 33 ярдов (30 метров). Ветровые турбины с тремя лопастями вращаются более плавно и их легче балансировать, чем турбины с двумя лопастями. Кроме того, в то время как более крупные ветряные турбины производят больше энергии, меньшие модели с меньшей вероятностью будут иметь серьезные механические поломки и, следовательно, более экономичны в обслуживании.

Ветряные фермы возникли по всей территории Соединенных Штатов, особенно в Калифорнии. Ветряные электростанции - это огромные группы ветряных турбин, установленных в районах с благоприятным ветровым производством. Большое количество соединенных между собой ветряных турбин необходимо для производства электроэнергии, достаточной для удовлетворения потребностей значительной части населения. В настоящее время 17 000 ветряных турбин на ветряных электростанциях, принадлежащих нескольким компаниям, работающим с ветроэнергетикой, производят 3,7 миллиарда киловатт-часов электроэнергии ежегодно, чего достаточно для удовлетворения потребностей в энергии 500 000 домов.

Сырье

Ветряк состоит из трех основных частей:башни, гондолы и лопастей ротора. Башня представляет собой либо стальную решетчатую башню, похожую на электрические башни, либо стальную трубчатую башню с внутренней лестницей, ведущей к гондоле. Первым шагом в строительстве ветряной турбины является возведение башни. Хотя стальные части башни производятся на заводе, они обычно собираются на месте. Перед монтажом детали скрепляются болтами, а до момента размещения мачта удерживается в горизонтальном положении. Кран поднимает башню на место, все болты затягиваются, и по завершении проверяется устойчивость.
Далее устанавливается гондола из стеклопластика. Его внутренние механизмы - главный приводной вал, коробка передач, а также средства управления углом наклона и рыскания лопастей - собираются и устанавливаются на опорную раму на заводе. Затем гондола крепится к оборудованию болтами. На месте гондола поднимается на завершенную башню и закрепляется болтами. Большинство вышек не имеют оттяжек, которые представляют собой тросы, используемые для поддержки, и большинство из них изготовлено из стали, покрытой цинковым сплавом для защиты, хотя некоторые вместо этого окрашены. Башня типичной турбины американского производства составляет около 80 футов в высоту и весит около 19 000 фунтов.

Гондола - это прочная полая оболочка, в которой заключены внутренние части ветряной турбины. Гондола, обычно сделанная из стекловолокна, содержит главный приводной вал и коробку передач. Он также включает в себя регулировку угла наклона лопастей, гидравлическую систему, которая регулирует угол наклона лопастей, и привод рыскания, который контролирует положение турбины относительно ветра. Генератор и электронное управление являются стандартным оборудованием, основными компонентами которого являются сталь и медь. Типичная гондола для действующей турбины весит приблизительно 22 000 фунтов.

Самое разнообразное использование материалов и самые большие эксперименты с новыми материалами происходят с лезвиями. Хотя наиболее распространенным материалом, используемым для лопастей в коммерческих ветряных турбинах, является стекловолокно с полым сердечником, другие используемые материалы включают легкую древесину и алюминий. Деревянные лезвия твердые, но большинство лезвий состоят из оболочки, окружающей сердечник, который либо полый, либо заполнен легким веществом, таким как пенопласт, соты или пробковое дерево. Типичное лезвие из стекловолокна составляет около 15 метров в длину и весит около 2500 фунтов.

Ветряные турбины также включают в себя хозяйственный ящик, который преобразует энергию ветра в электричество и расположен в основании башни. Различные кабели соединяют распределительную коробку с гондолой, а другие соединяют всю турбину с расположенными поблизости турбинами и трансформатором.

Производственный
процесс

Прежде чем можно будет рассмотреть вопрос о строительстве отдельных ветряных турбин, производители должны определить надлежащую территорию для размещения ветряных электростанций. Ветры должны быть постоянными, и их скорость должна регулярно превышать 15,5 миль в час (25 километров в час). Если ветры сильнее в определенные сезоны, желательно, чтобы они были сильнее в периоды максимального потребления электроэнергии. Например, на перевале Альтамонт в Калифорнии, где находится самая большая в мире ветряная электростанция, скорость ветра достигает пика летом, когда спрос на него высок. В некоторых районах Новой Англии, где рассматриваются возможности использования ветряных электростанций, наиболее сильные ветры проявляются зимой, когда возникает потребность в ветряных электростанциях. Гондола - это прочная полая оболочка, которая содержит внутренние части ветряной турбины, такие как главный привод. вал и коробка передач. Он также включает в себя регулировку угла наклона лопастей, гидравлическую систему, которая регулирует угол наклона лопастей, и привод рыскания, который контролирует положение турбины относительно ветра. Типичная гондола для действующей турбины весит приблизительно 22 000 фунтов. нагрев увеличивает потребление электроэнергии. Ветряные электростанции лучше всего работают на открытых участках слегка холмистой местности, окруженных горами. Эти области предпочтительны, потому что ветряные турбины могут быть размещены на гребнях и не закрыты деревьями и зданиями, а горы концентрируют воздушный поток, создавая естественную аэродинамическую трубу для более сильных и быстрых ветров. Ветряные электростанции также должны быть размещены рядом с инженерными сетями, чтобы облегчить передачу электроэнергии на местную электростанцию.

Подготовка сайта

• 1 Везде, где должна быть построена ветряная электростанция, дороги перерезаны, чтобы освободить место для транспортировки деталей. В каждом месте расположения ветряной турбины земля градуируется, а площадь площадки выравнивается. бетон Затем закладывается фундамент в землю с последующей прокладкой подземных кабелей. Эти кабели соединяют ветряные турбины друг с другом последовательно, а также подключают их все к центру дистанционного управления, где осуществляется мониторинг ветряной электростанции и электроэнергия отправляется в энергетическую компанию.

Возведение башни

• 2 Хотя стальные части башни производятся на заводе, их обычно собирают на месте. Перед монтажом детали скрепляются болтами, а до момента размещения мачта удерживается в горизонтальном положении. Кран поднимает башню на место, все болты затягиваются, и по завершении проверяется устойчивость.

Гондола

• 3 Гондола из стекловолокна, как и башня, изготавливается на заводе за пределами площадки. Однако, в отличие от башни, она также собирается на заводе. Его внутренние механизмы - главный приводной вал, коробка передач, а также средства управления углом наклона и рыскания лопастей - собираются и затем устанавливаются на опорную раму. Затем гондола прикручивается болтами. Коммунальный шкаф для каждой ветряной турбины и система электросвязи для ветряной электростанции устанавливаются одновременно с размещением гондола и лопасти. Кабели проложены от гондолы к шкафу с утилитами и от шкафа к центру дистанционного управления. вокруг оборудования. На месте гондола поднимается на завершенную башню и закрепляется болтами.

Поворотные лезвия

• 4 алюминиевых лопасти создаются путем скрепления листов алюминия болтами, а деревянные лопасти вырезаны, чтобы сформировать аэродинамический пропеллер, похожий по поперечному сечению на крыло самолета.
• 5 Однако наибольшее количество лопастей изготавливается из стекловолокна. Изготовление стеклопластика - кропотливая операция. Сначала готовится форма, состоящая из двух половинок, напоминающая раковину моллюска, но имеющая форму лезвия. Затем на внутренние поверхности формы наносится композитная смесь стекловолокна и смолы, которая затем закрывается. Затем смесь из стекловолокна должна высохнуть в течение нескольких часов; при этом заполненный воздухом баллон внутри формы помогает лезвию сохранять свою форму. После высыхания стекловолокна форму открывают и удаляют баллон. Окончательная подготовка лезвия включает очистку, шлифовку, герметизацию двух половинок и покраску.
• 6 Лопасти обычно привинчиваются к гондоле после ее установки на башню. Поскольку сборку легче выполнить на земле, иногда у трехзубой лопасти есть две лопасти, прикрепленные болтами к гондоле перед ее подъемом, а третья лопасть крепится болтами после того, как гондола установлена.

Установка систем управления

• 7 Монтажный шкаф для каждой ветряной турбины и система электросвязи ветряной электростанции устанавливаются одновременно с размещением гондолы и лопастей. Кабели проложены от гондолы к шкафу с утилитами и от шкафа к центру дистанционного управления.

Контроль качества

В отличие от большинства производственных процессов, производство ветряных турбин практически не требует контроля качества. Поскольку массовое производство ветряных турбин является относительно новым, никаких стандартов не установлено. Сейчас в этой сфере предпринимаются усилия как со стороны государства, так и со стороны производителей.

В то время как дежурные ветряные турбины рассчитаны на работу 90 процентов времени, многие конструктивные недостатки все еще встречаются, особенно в отношении лопастей. Трещины иногда появляются вскоре после изготовления. Механический отказ из-за ошибок центровки и сборки является обычным явлением. Электрические датчики часто выходят из строя из-за скачков напряжения. Негидравлические тормоза обычно надежны, но гидравлические тормозные системы часто вызывают проблемы. Разрабатываются планы использования существующих технологий для решения этих трудностей.

У ветряных турбин действительно есть графики регулярного технического обслуживания, чтобы свести к минимуму поломки. Каждые три месяца они проходят техосмотр, а каждые шесть месяцев планируется капитальный техосмотр. Обычно это включает смазку движущихся частей и проверку уровня масла в коробке передач. Рабочий также может проверить электрическую систему на месте и отметить любые проблемы с генератором или подключениями.

Экологические преимущества
и недостатки

Ветряная турбина, вырабатывающая электричество из неиссякаемых ветров, не загрязняет окружающую среду. Для сравнения:уголь, нефть и природный газ производят от одного до двух фунтов углекислого газа (выброс, который способствует парниковому эффекту и глобальному потеплению) на производимый киловатт-час. Когда энергия ветра используется для электрических нужд, уменьшается зависимость от ископаемого топлива. Текущее годовое производство электроэнергии ветровыми турбинами (3,7 миллиарда киловатт-часов) эквивалентно четырем миллионам баррелей нефти или одному миллиону тонн угля.

Ветровые турбины не полностью лишены экологических недостатков. Многие считают их неэстетичными, особенно когда огромные ветряные электростанции строятся рядом с нетронутой дикой природой. Были задокументированы убийства птиц, и жужжащие лезвия действительно производят довольно много шума. Усилия по снижению этих эффектов включают выбор участков, которые не совпадают с дикой природой или маршрутами миграции птиц, и исследование способов снижения шума.

Будущее

Будущее ветряных турбин может стать только лучше. Потенциал энергии ветра в значительной степени не используется. По оценкам Министерства энергетики США, к 1995 году может быть достигнуто в десять раз больше электроэнергии, производимой в настоящее время. К 2005 году возможно производство в семьдесят раз больше текущего. Если это будет достигнуто, на ветряные турбины будет приходиться 10 процентов производства электроэнергии в Соединенных Штатах.

В настоящее время проводятся исследования, чтобы расширить знания о ветровых ресурсах. Это включает в себя тестирование все большего количества участков на предмет возможности размещения ветряных электростанций там, где ветер надежный и сильный. Действуют планы по увеличению срока службы машины с пяти до 20-30 лет, повышению эффективности лопастей, обеспечению лучшего контроля, разработке приводных механизмов, которые служат дольше, а также улучшенной защиты от перенапряжения и заземления. Министерство энергетики США недавно составило график проведения последних исследований с целью создания ветряных турбин с более высоким рейтингом эффективности, чем это возможно сейчас. (КПД идеальной ветряной турбины составляет 59,3 процента. То есть можно улавливать 59,3 процента энергии ветра. Фактически используемые турбины имеют КПД около 30 процентов.) Министерство энергетики США также заключило контракт с тремя корпорациями на проведение исследований. способы уменьшить механический отказ. Этот проект начался весной 1992 года и продлится до конца века.

В ближайшие годы ветряные турбины станут более распространенными. Крупнейший производитель ветряных турбин в мире, US Windpower, планирует к 1995 году увеличить мощность с 420 мегаватт (4200 машин) до 800 мегаватт (8000 машин). К 2000 году они планируют вывести на рынок 2 000 мегаватт (20 000 машин). Другое Производители ветряных турбин также планируют увеличить их количество. Международные комитеты, состоящие из представителей нескольких промышленно развитых стран, сформировали для обсуждения потенциала ветряных турбин. Также предпринимаются усилия по обеспечению развивающихся стран небольшими ветряными турбинами, подобными тем, которые Марселлус Джейкобс построил в 1920-х годах. Дания, которая уже производит от 70 до 80 процентов энергии ветра в Европе, разрабатывает планы по расширению производства ветряных турбин. На рубеже веков ветряные турбины должны быть правильно размещены, эффективны, долговечны и многочисленны.