Ветряные турбины: как они генерируют чистую энергию

В США сегодня ветряная турбина — один из распространенных и чистых способов генерации. От массичных ветропарков до малых турбин для одного дома. Ветряки по миру производят чистую электроэнергию для разносторонних потребностей.

Сегодня вы узнаете определение, применение, функцию, компоненты, схему, типы и работу ветряной турбины, а также преимущества и недостатки.

Что такое ветряная турбина?

Ветряная турбина — машина, преобразующая кинетическую энергию ветра в чистую электроэнергию. Устройство, превращающее кинетическую энергию ветра в возобновляемую электроэнергию.

Лопасти вращаются 13–20 об/мин, в зависимости от технологии. Постоянная или переменная скорость — скорость ротора меняется относительно скорости ветра. Помогает достичь большей эффективности.

Расчетный ресурс — свыше 25 лет. Быстрая эволюция ветровых технологий повысила долговечность и пригодность.

Ветряки бывают широкого диапазона размеров и типов: горизонтальные или вертикальные оси. Ветропарки — сотни тысяч крупных турбин. Выработка >650 ГВт, +60 ГВт в год — важный источник прерывистой возобновляемой энергии. Большинство стран внедряют ветряки для снижения издержек и отказа от ископаемого топлива.

Применение ветряных турбин

Применения огромны — энергия нужна везде. Раннее использование ветра — механическая мощность. 5000 г. до н.э. египтяне двигали лодки по Нилу ветром. Американские колонисты качали воду, молотили зерно, пилили дрова на пиломах.

Сегодня малые турбины: знаки дорожного предупреждения, зарядка аккумуляторов для лодок/домов на колесах. Крупные — вклад в бытовое электроснабжение, излишки продают в сеть.

Крупные турбины: питание сети, 100 кВт – несколько МВт. Группируют в ветропарки для большей выработки. Достаточно для десятков тысяч домов.

Малые турбины — близко к потребителю: насосные станции, дома, спутниковые тарелки. До 100 кВт. Иногда с дизель-генераторами, батареями, фотоэлектрическими системами — гибридная ветровая система.

Морские турбины — массивные и высокие. Улавливают мощные океанические ветра, генерируют ~4000 ГВт электроэнергии. Многие страны используют для сильной энергии.

Примечание: основная функция — генерация мощности или прямое механическое использование.

Компоненты ветряной турбины

Ветряки конвертируют ветровую энергию в электроэнергию для распределения. Компоненты конвенциональных горизонтально-осевых турбин:

• Ротор — ~20% стоимости, включая лопасти, конвертирующие ветровую энергию в низкоскоростное вращение.
• Генератор — ~34% стоимости: электро-генератор, контрольная электроника, вероятнее всего мультипликатор (планетарный), регулируемый привод или бесступенчатая передача. Конвертируют низкоскоростное вращение в высокоскоростное для генерации.
• Окружающая конструкция — ~15% стоимости: вышка и механизм завязивания ротора.

Схема системы ветряной турбины:

Типы ветряных турбин

Два основных типа: горизонтальная и вертикальная ось.

Ветряные турбины с горизонтальной осью:

Большинство сегодня — горизонтальные, лопасти пропеллерного типа вращаются вокруг горизонтальной оси. Либо наветренные (ветр бьет в лопасти перед вышкой), либо заветренные (ветр бьет в вышку перед лопастями).

Наветренные используют завязивающий привод и мотор — компоненты, поворачивающие гондолу, держа ротор лицом к ветру при смене направления. Датчик ветра на завязивающей системе для крупных турбин. Малые — простой ветровой флюгер.

HAWT (Horizontal-Axis Wind Turbine). Сегодня крупные трехлопастные наветренные ВТГО производят подавляющее большинство ветровой энергии в мире.

Заветренные строили для устранения доп. механизмов выравнивания. Лопасти сгибаются при сильном ветре, уменьшая заваленную площадь и ветровое сопротивление.

Несмотря на выгоды заветренных, наветренные предпочтительны. Изменение нагрузки от ветра при прохождении лопасти за вышкой может повредить турбину.

Ветряные турбины с вертикальной осью:

VAWT — главный роторный вал вертикален. Нет нужды поворачивать турбину к ветру для эффективности. Преимущество для участков с высокой вариативностью направления. Выгода при интеграции в здание — менее управляемо.

Генератор и мультипликатор можно разместить у земли с прямым приводом от роторной сборки к наземному мультипликатору. Улучшает доступность для обслуживания. Но эти конструкции дают значительно меньше энергии в среднем — главный недостаток.

Вертикальные типы — гораздо ниже эффективность горизонтально-осевых. Низкая оборотная скорость с следствием: высокий момент, высокая стоимость привода. Два основных дизайна:

• Сопротивление-базированные, или Савониус (Savonius) — роторы с твердыми лопатками, вращающиеся о вертикальной оси.
• Подъемные силы-базированные, или Дарриеус (Darrieus) — высокие, вертикальные крыльевидные профили, некоторые как яйцобетер. Windspire — подъемный тип, все еще на испытаниях.

Работа ветряной турбины

Работа понятна. Большинство — три лопасти, двухлопастные тоже встречаются. Лопасти на вышке из трубной стали. Турбина использует более высокие ветровые скорости на больших высотах — вышка 30+ м (100+ футов).

Ветровая энергия захватывается пропеллероподобными лопастями, как крыло самолета. Когда ветер дует, зона низкого давления образуется на одной стороне лопасти. Низкое давление тянет лопасть — ротор вращается. Это подъемная сила (lift). Сила подъема гораздо сильнее силы ветра на лицевую сторону лопасти (сопротивление/drag). Комбинация подъема и сопротивления заставляет ротор вращаться как пропеллер.

Серия шестерен повышает обороты ротора с ~18 об/мин до ~1800 об/мин, позволяя генератору выработать переменный ток.

Гондола (nacelle) — часть, содержащая ключевые компоненты: роторы, шестерни, генераторы, на вершине вышки. Гондолы достаточно большие. Контроллер турбины ограничивает скорость ротора ≤55 миль/ч (88 км/ч) для безопасности при штормовом ветре.

Анемометр постоянно измеряет скорость ветра, передает данные контроллеру. Гондола содержит тормоз для механической, электрической или гидравлической аварийной остановки ротора.

Смотрите видео ниже о работе ветряной турбины:

Преимущества и недостатки ветряных турбин

Преимущества:

Для ВТГО:

• Высокая вышка дает доступ к сильному ветру в зоне сдвига.
• Высокая эффективность — лопасти перпендикулярны ветру, мощность на всем обороте.

Для ВТВО:

• Генерация в любом направлении ветра.
• Низкая стоимость производства vs ВТГО.
• Не нужна мощная вышка.
• Легкая транспортировка.
• Низкие затраты на обслуживание.
• Установка в городской застройке.

Недостатки

Для ВТГО:

• Требуется массивная вышка.
• Компоненты (мультипликатор, роторный вал, тормоз) поднимаются на высоту.
• Заветренные варианты страдают от усталости и структурных сбоев.

Для ВТВО:

• Эффективность очень низка vs ВТГО.
• Высокая вибрация.
• Шумовое загрязнение.
• Износ подшипников от вибрации — рост затрат на обслуживание.
• Нужен начальный толчок для запуска.

Заключение

Ветряные турбины — машины, преобразующие кинетическую энергию ветра в чистую электроэнергию. Два типа: HAWT и VAWT. Работают по-разному, дают разные выгоды. В статье: определение, применение, функции, компоненты, схема, типы, работа, преимущества и недостатки.

Надеюсь, полезно. Делитесь со студентами. Спасибо!