Ветряки и ветроэлектростанции: как ветер превращается в чистую энергию

Чтобы понять преобразование ветра в энергию, нужно знать термин «ветряк» (ветротурбина). Ветровая энергия — один из чистейших способов выработки электроэнергии. Ветряк — устройство, извлекающее энергию ветра лопастей (крыльев/парусов) на вращающемся валу. Лопасти наклонены или скручены, чтобы сила ветра раскладывалась на составляющие, создающая вращательный момент.

Ветряк — машина, преобразующая кинетическую энергию ветра в механическую (все лопасти вращаются по часовой стрелке). Ветром первыми воспользовались моряки — паруса. Знание подъемной силы привело к созданию вертикальноосевых парусных ветряков (персы, китайцы — для насосов и жернов).

Статья: определение, применение, компоненты, виды, принцип работы, преимущества и недостатки ветряков.

Применение ветряков

Традиционно: помол зерна, водонапорные насосы (ветронасосы), выжим масла из семян. Главное современное назначение — генерация электроэнергии для питания конечных потребителей.

Компоненты ветряка (современной ветротурбины)

• Лопасти — критически важный элемент, управляющий скоростью ротора
• Ротор (втулка с лопастями) — ~20% стоимости, преобразует энергию ветра в низкоскоростное вращение
• Генератор с мультипликатором и электроникой — ~34% стоимости. Планетарный редуктор, регулируемый привод или бесступенчатая передача. Преобразует низкоскоростное вращение в высокоскоростное для генерации электричества
• Окружающая конструкция — ~15% стоимости: башня, механизм поворота гондолы (yaw)
• Анемометр — измеряет скорость ветра для управления

Виды ветряков

Два класса: вертикальноосевые (VAWT) и горизонтальноосевые (HAWT).

Панемона — первый практический ветряк с парусами, вращающимися в горизонтальной плоскости. Аналогичные горизонтальные с прямоугольными лопастями — для орошения. Ось вращения лопастей определяет класс.

Горизонтальноосевые (HAWT) — 4 основных исторических типа:

• Штутовый (Post mill) — вся конструкция поворачивается на центральном столбе
• Козлаковый (Smock mill) — поворачивается только шапка (кап) с лопастями
• Башенный (Tower mill) — каменная/кирпичная башня, поворачивается шапка
• Ветряк-вентилятор (Fan mill) — малые ветряки для ферм

Современные промышленные ВЭУ — исключительно HAWT с 3 лопастями, активным поворотом в ветер (yaw), переменным шагом лопастей и мультипликатором.

Принцип работы

После исследований оптимальное число лопастей — 3. Лопасти встречают ветер, начинают вращаться вместе с валом. Генератор преобразует механическую энергию в электрическую.

Преимущества и недостатки

Преимущества HAWT (горизонтальноосевых):

• Высокая башня дает доступ к более сильным ветрам при сдвиге ветра по высоте (wind shear)
• Высокий КПД: лопасти движутся перпендикулярно ветру, принимают мощность на всем круге вращения

Преимущества VAWT (вертикальноосевых):

• Генерация в любом направлении ветра (не нужен yaw)
• Низшая себестоимость производства
• Не требуют мощной башни
• Легкая транспортировка
• Низкие затраты на обслуживание
• Можно устанавливать в городской застройке

Недостатки HAWT:

• Массивное строительство башни
• Подъем тяжелых узлов (редуктор, вал, тормоза) на высоту
• Downwind-варианты (ротор за башней) страдают от усталостных нагрузок и структурных отказов

Недостатки VAWT:

• КПД значительно ниже HAWT
• Высокие вибрации
• Шумовое загрязнение
• Износ подшипников от вибраций → рост затрат на обслуживание
• Требуется внешний запуск (несамостартующие)

Заключение

Ветряки — чистейший способ генерации электроэнергии. Устройство преобразует энергию ветра в вращение через лопасти для помола, насоса, генерации. Рассмотрены определение, применение, компоненты, виды (HAWT/VAWT), принцип работы, плюсы и минусы.

Статья полезна? Поделитесь с коллегами и следите за обновлениями!