Турбины являются наиболее широко используемым оборудованием во всем мире для производства электроэнергии. Турбины имеют несколько типов, которые разработаны в соответствии с различными требованиями к применению. Основная задача турбины — производство электроэнергии за счет использования энергии воды, пара, газа или ветра. Турбины бывают нескольких типов, и ветровая турбина — одна из них. Ветровая турбина используется для производства электроэнергии с помощью энергии ветра. В зависимости от рабочей жидкости, турбины имеют четыре основных типа:
2) Ветровая турбина
В предыдущих статьях мы рассмотрели паровые и газовые турбины. В этой статье мы расскажем только о работе ветровых турбин и их компонентах.
Что такое ветровая турбина?
Движение воздуха называется ветром. Это движение происходит в основном в горизонтальном направлении, потому что вертикальные компоненты малы по сравнению с горизонтальными.
Ветряная турбина — это механическая машина, которая преобразует энергию ветра (кинетическую энергию ветра) в механическую энергию (энергию вращения). Эти турбины стали самым дешевым источником энергии. Ветряные турбины имеют оригинальную конструкцию и очень высокий КПД. Профессор Джеймс Блит изобрел первую ветряную турбину в 1887 году.
Энергия ветра является важным источником энергии, благодаря которому мы производим самую дешевую электроэнергию, используя его энергию. Ветрогенератор — это механическая машина, которая преобразует механическую энергию турбины в электричество.
Ветровые турбины также известны как преобразователи энергии ветра. Эти турбины производят в двух исполнениях, как горизонтальные и вертикально-осевые ветровые турбины. Небольшие ветряные турбины используются для таких целей, как зарядка аккумуляторов, обеспечивающих караваны и лодки дополнительной энергией. Эти малые ветряные турбины также используются для обеспечения энергией дорожных предупреждающих знаков. В то время как большие ветряные турбины используются для добавления энергии в дом, а неиспользованная энергия продается через сеть коммунальным компаниям.
Электроэнергия, которую мы производим с помощью ветрогенераторов, является самой дешевой формой электроэнергии по сравнению с другими видами электроэнергии, которую мы производим с помощью газа, геотермальных, угольных, паровых, фотоэлектрических и гидроэлектрических процессов. Ветряная турбина имеет минимальный выброс парниковых газов.
Как работает ветряная турбина?
Принцип работы ветряной турбины очень прост.
Рис: Принцип работы ветряной турбины
Когда ветряная турбина начинает работать, ветер сначала с большой скоростью ударяет по лопастям ротора. После этого лопасти ротора начинают вращаться. Ротор также вращается вместе с лопастями. Этот ротор соединяется с редуктором. Редуктор преобразует вращательное движение ротора с минимальной до максимальной скорости.
Редуктор соединяется с ротором электрогенератора через вал. Этот вал соединен с катушкой генератора. Эта катушка перемещается в соответствии с движением вала редуктора. Возбудитель необходим для обеспечения обязательного возбуждения электромагнитной системы катушки генератора, чтобы ветрогенератор мог вырабатывать электроэнергию в соответствии с требованиями.
Напряжение, вырабатываемое на выходной клемме генератора, пропорционально магнитному потоку и скорости генератора. Скорость регулируется с помощью неконтролируемой энергии ветра. Поэтому для поддержания постоянства выходной мощности генератора необходимо управлять возбуждением в зависимости от наличия естественной энергии ветра.
Ток возбудителя управляется через контроллер турбины, который регистрирует скорость ветра. После этого выходное напряжение генератора поступает на выпрямитель. Этот выпрямитель преобразует выходное напряжение генератора в постоянный ток.
Далее выпрямленный постоянный ток (DC) передается на блок сетевого преобразователя для преобразования его в стабильный переменный ток (AC). И, наконец, через повышающий трансформатор этот выход переменного тока передается в различные рукава, здания и промышленные предприятия. Некоторые дополнительные устройства используются для передачи энергии ветра на внутренние вспомогательные устройства ветровой турбины, такие как аккумулятор и электродвигатели.
Типы ветровых турбин
- Горизонтальные ветровые турбины
- Вертикальные ветровые турбины
1) Ветряная турбина с вертикальной осью
Лопасти VAWT расположены перпендикулярно линии воздушного потока и перпендикулярно земле. И сопротивление является ведущей силой в работе этой ветровой турбины. Кроме того, механизм рысканья не требуется в работе этих ветряных турбин. VAWTs далее делятся на следующие типы.
Ветряные турбины с вертикальной осью имеют следующие типы:
1) Ветряная турбина Даррье
Ветряная турбина Даррье является известной ВАВТ. Она имеет множество изогнутых аэродинамических лопастей, которые расположены на вращающейся оси или раме. Эти лопасти могут выдерживать напряжение только при высокой скорости вращения. На рынке представлено множество близкородственных ветровых турбин с прямыми лопастями ротора.
Лопасти турбины Дарье вращаются вместе с вращением ротора. Аэродинамический принцип вращающегося ротора соответствует аэродинамическому принципу автожира или обычного вертолета, который вращается автоматически. Когда аэродинамическое крыло движется позади устройства, угол атаки изменяется на обратный знак, но создаваемая сила наклонена в направлении вращения, как если бы аэродинамическое крыло находилось впереди. Ротор вращается со скоростью, которая не зависит от скорости ветра и обычно во много раз выше.
Основная проблема классической конструкции лопастей заключается в том, что угол атаки изменяется в зависимости от вращения турбины, и каждая лопасть создает экстремальный крутящий момент только перед и за турбиной. Этот процесс приводит к пульсирующим энергетическим циклам, которые усложняют конструкцию турбины. Более того, если эта пульсация возникает на собственной частоте лопасти, то возникающий резонанс приведет к повреждению турбины.
В конфигурации ветровой турбины Даррье максимальное натяжение находится в области лопастей, создавая крутящий момент, противоположный генератору в нижней части турбины. Таким образом, единственные силы, которые необходимо уравновесить перпендикулярно, — это сила ветра, пытающегося обдуть турбину, и сжимающие нагрузки, возникающие из-за изгиба лопастей ротора наружу (т.е. пытающиеся «сжать» башню).
Эти типы ветряных турбин используются для выработки электроэнергии, отопления, охлаждения и перекачки воды.
Конструкция ветряных турбин Дарриеуса
Конструкции ветровых турбин Даррье могут изготавливаться с использованием нескольких изогнутых аэродинамических лопастей ротора, установленных на вращающейся оси. Это ветряные турбины с вертикальной осью, которые используются для выработки электроэнергии из энергии ветра. Однако изогнутые лопасти этих турбин могут выдерживать силу натяжения только на высокой скорости.
Во многих близкородственных ветровых турбинах используются прямые лопасти ротора. Французский авиационный инженер Жорж Жан Мари Дариус запатентовал первый дизайн этой турбины и зарегистрировал его как интеллектуальную собственность 1 октября 1926 года.
Эффективность ветровой турбины Дарюса
Ветровые турбины Дарриуса менее эффективны, чем ветровые турбины с горизонтальной осью, из-за их конструкции и особенностей эксплуатации.
В целом, КПД HAWT составляет от 40% до 50%. Это означает, что эти ветряные турбины могут преобразовать от 40% до 50% зарегистрированного КЭ в фактическую электрическую энергию. В качестве альтернативы, вертикально-осевая ветровая турбина Savonius имеет КПД в диапазоне от 10% до 17%. Это означает, что данная турбина может преобразовать от 10% до 17% зарегистрированного KE в фактическую электрическую энергию.
Турбина Дарриуса имеет КПД в диапазоне от 30% до 40%. Это означает, что она может преобразовать от 30% до 40% зарегистрированной кинетической энергии в реальную электрическую энергию. Таким образом, ветряные турбины Савониуса могут производить достаточно электроэнергии, чтобы покрыть годовое потребление типичного домохозяйства из двух человек.
Преимущества и недостатки ветряной турбины Дарриуса
Преимущества
Этот тип ветряной турбины портативен.
Его можно легко разместить в здании.
Он работает бесшумно.
Турбина Даррье имеет небольшие размеры по сравнению с HAWT.
Она способна принимать энергию ветра со всех направлений.
Ее лопасти вращаются медленно, что снижает риск для птиц и людей.
ii) Турбина Савониуса
Это VAWT. Финский инженер Сигурд Йоханнес Савониус изобрел ветряную турбину Савониуса в 1922 году. Это одна из самых простых конструкций ветровых турбин. Она имеет более одного «совка», который использует сопротивление для изменения энергии ветра в крутящий момент для работы турбины. Турбина Савониуса с двумя лопастями выглядит как S-образная, если смотреть сверху в поперечном сечении: Из-за кривизны лопастей турбина имеет меньшее сопротивление ветру.
Турбина Савониуса относится к типу турбин сопротивления и наиболее широко используется во многих надежных приложениях, таких как анемометры и вентиляция. Этот тип турбин имеет низкую эффективность по сравнению с HAWT. Они лучше всего подходят в районах с турбулентными ветрами и самозапуском.
Ветровая турбина Savonius имеет КПД в диапазоне от 10% до 17%. Однако она может преобразовать только от 10% до 17% зарегистрированной кинетической энергии в реальную электрическую энергию.
Преимущества и недостатки ветряной турбины Savonius
Преимущества
Эта вертикальная ветровая турбина эффективно работает даже при изменении направления ветра.
Она производит меньше электроэнергии, чем HAWT.
Конструкция Savonius хорошо работает даже при низкой скорости ветра, устраняя необходимость в башнях и других дорогостоящих деталях и значительно снижая первоначальные затраты на установку.
Лопасть, используемая для извлечения энергии ветра, в два раза эффективнее обычной турбины и снижает выработку электроэнергии.
Она имеет небольшие размеры, бесшумную работу и простоту обслуживания.
Она проста в проектировании.
iii) Ветряные турбины Гиромилла
Это разновидность ветровой турбины Даррье. Работает так же, как и турбина Даррье. Основное отличие заключается в том, что турбина Giromill имеет H-образный ротор. Эта турбина использует подъемную силу, создаваемую аэродинамическими катушками, для преобразования кинетической энергии ветра во вращательную энергию.
2) HAWT (ветряная турбина с горизонтальной осью)
Горизонтально-осевые ветряные турбины имеют ось в горизонтальном направлении по отношению к земле. Кроме того, в работе этих ветряных турбин не требуется механизм рысканья. В этих типах турбин основной силой является подъемная сила. 95% современных ветровых турбин — это HAWT.
Горизонтальные ветровые турбины далее делятся на следующие два типа:
i) Турбины восходящего ветра
Ротор ветровой турбины находится в передней части устройства, и его положение аналогично положению ротора самолета с воздушным винтом. Это самый распространенный тип малых ветровых турбин, который наиболее широко используется в Соединенных Штатах Америки. Для нормальной работы этих турбин необходим механизм рысканья.
Преимущества и недостатки ветровых турбин
Преимущества
Остановка тени на башне назад.
Требуется механизм рысканья для поддержания турбины лицом к ветру.
Имеет небольшой размер.
ii) Турбина нисходящего ветра
Ротор наветренной турбины находится на подветренной стороне башни. Самым большим преимуществом этой турбины является то, что она может проектироваться без механизма рысканья. Это возможно в том случае, если гондола и ротор имеют соответствующую конструкцию, которая позволяет гондоле пассивно следовать за ветром. Однако для больших HAWT это несколько сомнительное преимущество, поскольку для отбора энергии от генератора требуются кабели.
Самым важным преимуществом является то, что ротор этой турбины очень гибкий.
Преимущества и недостатки турбин нисходящего ветра
Преимущества
Она может проектироваться без механизма рысканья.
Ее ротор может быть спроектирован более гибко, как вы хотите.
Компоненты ветровой турбины
Ветровая турбина состоит из следующих основных частей:
1) Тормоз
Он входит в состав основных компонентов ветровой турбины. Дисковые тормоза могут работать гидравлически, электрически или механически. Таким образом, ротор турбины может быть быстро остановлен тормозом в аварийной ситуации.
2) Анемометр
Это вторая часть турбины. Он измеряет скорость ветра. Затем отправляет эти данные на контроллер.
3) Контроллер
Он также входит в число наиболее обязательных компонентов ветряной турбины. Эта часть турбины включает машину при скорости ветра от 8 до 16 миль в час. Турбина не может работать при скорости ветра более 65 миль в час, так как ветрогенератор может перегреться.
4) Лопасти или ось
Максимальные ветряные турбины имеют 2 или 3 лопасти. Без лопастей турбина не может производить электричество. Ветер, дующий на лопасти, помогает лопастям вращаться.
5) Мотогондола
Это пятая обязательная часть турбины. Мотогондола крепится к ротору турбины. Мотогондола находится на вершине башни и содержит тормоза, контроллеры, генераторы, низкоскоростные валы, высокоскоростные валы и шестерни. Крышка защищает детали мотогондолы.
6) Высокоскоростной вал
Это важная часть турбины. Высокоскоростной вал вращает катушку генератора, что позволяет вырабатывать электроэнергию.
7) Башня
Башня относится к наиболее важным компонентам ветровой турбины. Башня представляет собой стальную решетку или трубчатую сталь. Более высокие башни турбин генерируют большую энергию. Потому что с высотой скорость ветра увеличивается, и ось турбины вращается быстрее.
8) Низкоскоростной вал
Это самая обязательная часть турбины. Ротор турбины приводит его в движение со скоростью примерно 30-60 оборотов в минуту.
9) Ротор
Лопасть и ступица вместе называются ротором. Как показано на рисунке выше. Основная функция ротора турбины заключается в увеличении скорости воздуха. Таким образом, вал турбины может увеличить скорость вращения подключенной катушки генератора.
Преимущества и недостатки и применение энергии ветра
Существует множество преимуществ и недостатков энергии ветра, но некоторые из них подробно описаны ниже.
Преимущества энергии ветра
Ниже приведены различные преимущества энергии ветра.
1) Ветер производит работу
Существенным преимуществом ветроэнергетики является то, что она создает рабочие места. Ветроэнергетика является наиболее быстро развивающейся отраслью. Ветроэнергетика расцвела, когда ветряные турбины стали экономически целесообразными. И эта отрасль ежегодно создает максимум рабочих мест. Возможности трудоустройства создаются в таких областях, как обслуживание, установка и производство ветряных турбин. Кроме того, этот отдел объявляет о вакансиях для консалтинга в области ветроэнергетики.
Согласно международному заявлению, ветроэнергетика способна создать более 600000 рабочих мест для обслуживания, установки и производства ветроэнергетических установок.
2) Ветроэнергетика экономически эффективна
По мере развития технологий энергия ветра становится все дешевле и дешевле. Цены снижались в течение последних 40 лет и, возможно, не в той же степени, но эта тенденция идет на спад в предсказуемом будущем. Практически все компании должны устанавливать, обслуживать и покупать свой ветроэнергетический преобразователь.
3) Поддержка экономики страны
Энергия ветра — самый выгодный источник энергии. Она поддерживает экономику страны. Она почти бесплатна, так как не требует использования топлива. Нужен только воздух, который вращает лопасти ветряной турбины. А электроэнергия, получаемая в результате этого процесса, почти бесплатна по себестоимости. И мы можем продавать наше дополнительное электричество другим странам. Таким образом, энергия ветра поддерживает экономику страны. Это значительное преимущество энергии ветра.
4) Возобновляемость
Ветер возникает из-за неровностей земной поверхности и вращения земли, когда солнце нагревает атмосферу. Технологии усовершенствовались, и существующие ветряные турбины могут быть заменены более мощными или лучшими установками, но ветер есть всегда. Энергия ветра — это возобновляемый источник энергии. С помощью этого процесса мы можем производить электричество в течение всей жизни. Ветер — это неограниченный источник энергии.
5) Экономическая эффективность
Еще одно преимущество энергии ветра заключается в том, что энергия, производимая с помощью ветра, практически не требует затрат. Не существует рынка спроса и предложения на энергию ветра, и каждый может ее использовать. Это один из самых дешевых возобновляемых источников энергии, доступных сегодня, в зависимости от финансирования ветроэнергетики и конкретных проектов. При наличии бесплатной электроэнергии наземные ветряные турбины могут вырабатывать самую дешевую электроэнергию в мире.
Поскольку электроэнергия, вырабатываемая ветряной турбиной, продается по фиксированной цене в течение длительного периода, резкое повышение цены не влияет на электроэнергию, вырабатываемую ископаемым топливом. Производство электроэнергии не является дешевым.
6) Энергия ветра устойчива
Огромным преимуществом энергии ветра является то, что она устойчива. Энергия ветра — это разновидность солнечной энергии. Ветер возникает из-за неровностей земной поверхности и вращения Земли, когда солнце нагревает атмосферу. Пока светит солнце и дует ветер, полученная энергия может быть использована для передачи электричества в сеть.
7) Эффективность использования пространства
Ветряные турбины больше и эффективнее, занимая при этом одинаковое пространство. Это еще одно преимущество энергии ветра. Всего за один год выработка электроэнергии может обеспечить достаточным количеством электричества 600 типичных американских домохозяйств. Эти более крупные турбины требуют дальнейшего расширения, но землю между ними можно использовать для других целей, например, для производства продуктов питания. Поэтому ветряные электростанции более эффективны, чем солнечные.
Недостатки ветроэнергетики
В этом разделе я собираюсь объяснить различные недостатки ветровой энергии.
1) Визуальное загрязнение
Самым важным недостатком ветряных турбин является визуальное загрязнение, которое они вызывают. Многим людям нравится вид ветряка, некоторым — нет. Другим не нравится, и они считают их пятном на земле. Однако все это, как правило, сводится к личному мнению. Чем больше ветряных турбин построено, тем популярнее они среди населения.
2) Шумовое загрязнение
Ветряная турбина вызывает шумовое загрязнение. И это существенный недостаток процесса создания ветрогенератора. Звук ветряка можно рассмотреть с расстояния в несколько сотен метров, даже несмотря на то, что обычно принимаются меры, чтобы ветряк находился подальше от дома.
3) Опасность для диких животных
Существенным недостатком ветряка является то, что от него гибнет множество птиц. Потому что когда птицы залетают на вращающиеся лопасти ветряка, они погибают. В большинстве стран эта проблема решена или значительно уменьшена за счет совершенствования технологий или правильного размещения ветрогенераторов.
4) Стоимость земли
Развитие ветроэнергетических ресурсов может быть не самым выгодным использованием земли. Подходящая земля для установки ветрогенераторов должна сравниваться с альтернативными видами землепользования и может оказаться более ценной, чем производство электроэнергии.
5) Стоимость ветряной турбины
Несмотря на то, что стоимость снижается, цена ветряных турбин все еще слишком высока, прежде всего, инженеры должны провести полевое исследование. Это может включать установку исследовательских турбин для вычисления скорости ветра за определенный период времени. Если вы считаете, что этого достаточно, необходимо купить, транспортировать и установить ветряную турбину. Все эти этапы приводят к большим затратам при покупке и установке ветровой турбины.
Применение энергии ветра
- Ветряные турбины являются лучшим источником возобновляемых источников энергии. Эти турбины используются для производства дешевой электроэнергии.
- Энергия ветра используется для облегчения транспортировки судов по морям и рекам для перемещения товаров и людей из одного места в другое.
- Эти типы турбин используются для питания насоса и забора воды из земли через ветряную мельницу.
- Этот вид энергии также обеспечивает работу мукомольных мельниц, которые перемалывают зерно, такое как кукуруза и пшеница, в муку.
- Энергию ветра можно рассматривать как самый быстрорастущий источник энергии в мире.
- Сегодня энергия ветра используется для выработки электроэнергии.
Какие материалы используются для изготовления ветряных турбин?
Согласно отчету Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии, ветряная турбина в основном состоит из алюминия (от 0% до 2%); меди (1%); чугуна или железа (от 5% до 17%); пластика, смолы или стекловолокна (от 11% до 16%); и стали (от 71% до 79% от общей массы турбины).
Многие детали турбин закупаются на месте и производятся в США (Wind Technology Market Report). Закупаемые внутри страны детали — это детали ступицы и лопастей ветровой турбины (от 40% до 70%), башни (от 65% до 85%) и более 90% деталей мотогондолы. Кроме того, многие внутренние компоненты, такие как контроллеры, болты, подшипники, системы рысканья и шага, импортируются.
Сколько стоит ветряная турбина?
Стоимость ветровой турбины варьируется в зависимости от страны, города и места проживания. Из-за эффекта масштаба стоимость киловатта при установке большой турбины ниже, чем при установке маленькой турбины, а стоимость киловатта при установке одной турбины выше, чем при установке нескольких турбин.
Раздел часто задаваемых вопросов
Какова высота ветровой турбины?
Большинство коммерческих башен ветряных турбин имеют высоту от 200 до 260 футов. При расчете общей высоты учитываются лопасти, длина которых обычно превышает 100 футов. Лопасти ротора ветряных турбин модели Gamesa G87 имеют высоту 120 метров.
С какой скоростью вращается ветряная турбина?
Скорость вращения лопасти ветряной турбины составляет от 120 до 180 миль/час. Однако эта скорость может меняться в зависимости от условий.
Из-за огромных размеров ветряка (лопасти более 100 футов) кажется, что он вращается медленно, но кончик лопасти вращается очень быстро.
Сколько домов может питать одна ветряная турбина?
Это число зависит от некоторых факторов, таких как длина лопастей, техническое обслуживание, ветровые условия и размер, но типичная ветровая турбина может обеспечить электроэнергией от 1 000 до 2 000 домов в год. Таким образом, 1 МВт мощности обеспечивает электроэнергией около 1 000 домохозяйств, а многие наземные турбины имеют мощность от 2 до 3 МВт.
Почему ветряные турбины вредны?
- Они убивают птиц
- Вызывают визуальное загрязнение
- Создают сильный шум
- У этих турбин высокая первоначальная стоимость установки
Действительно ли ветряные мельницы убивают птиц?
Ветряные мельницы представляют собой очень большую опасность для птиц, потому что эти турбины убивают птиц, если те пролетают рядом с турбинами во время их работы. Служба охраны рыбных ресурсов и диких животных США считает, что ежегодно на ветряных электростанциях погибает от 140 000 до 500 000 птиц.
Сколько времени требуется ветровой турбине, чтобы окупить себя?
Срок службы новейшей ветряной турбины составляет около 20 лет, а затраты могут быть амортизированы в среднем за 15 лет, но этот период может быть сокращен или удлинен в зависимости от условий окружающей среды.
Как долго служит ветряная турбина?
Срок службы хорошей и новейшей ветряной турбины составляет около 20 лет. Тем не менее, этот срок службы может быть увеличен до 25 лет и более в зависимости от условий окружающей среды и надлежащего технического обслуживания.
Каковы типы ветровых турбин?
Ветряные турбины бывают следующих типов:
- Горизонтальная ветровая турбина
- Вертикальная ветровая турбина
- Ветровая турбина
- Ветровая турбина Дарриуса
- Турбина Савониуса
- Турбина для нисходящего ветра
Заключение:
В этой статье мы подробно рассмотрели принцип работы ветровой турбины и некоторые другие аспекты. Ветряная турбина — это самый распространенный тип турбин. Популярность этих турбин растет с каждым днем, потому что энергия ветра является самой дешевой формой энергии во всем мире. Фактически, это процесс использования ветра для производства электрической или механической энергии. Кроме того, эти турбины потребляют меньше всего воды.
Еще одна причина популярности этих турбин заключается в том, что они не загрязняют окружающую среду. Они очень дружелюбны к окружающей среде. Они создают тысячи рабочих мест каждый год для жителей разных стран. Таким образом, мы должны в основном использовать энергию ветра. Таким образом, мы можем сэкономить наши деньги и другие ресурсы, которые мы используем для производства электроэнергии.
Мы также перечислили различные недостатки и преимущества энергии ветра. Несмотря на то, что существует множество недостатков ветровой энергии, ветер по-прежнему является одним из самых недорогих и чистых источников энергии. Используя энергию ветра, вы можете уменьшить зависимость от традиционных электростанций, которые загрязняют землю и сжигают ископаемое топливо.
Если у вас возникли вопросы по этой статье, вы можете сообщить мне об этом через поле для комментариев. Я постараюсь сделать все возможное, чтобы ответить вам в ближайшее время.
