КАК РАБОТАЮТ ВЕТРЯНЫЕ ТУРБИНЫ?

Send

Возможно, вы видели их, когда ехали по сельской местности. Или, может быть, вы видели их рядом с побережьем, нависающими над горизонтом с вращающимися лезвиями. С другой стороны, вы, возможно, видели их на чьей-то крыше или в рамках небольшой городской операции. Независимо от местоположения, ветряные турбины и энергия ветра становятся все более распространенной особенностью в современном мире.

Во многом это связано с угрозой изменения климата, загрязнением воздуха и желанием избавить человечество от его зависимости от ископаемого топлива. И когда дело доходит до альтернативной и возобновляемой энергии, ветроэнергетика, как ожидается, займет вторую по величине долю рынка в будущем (после солнечной). Но как именно работают ветряные турбины?

Описание:

Воздушные турбины - это устройства, которые превращают кинетическую энергию ветра и изменения воздушного потока в электрическую энергию. В общем, они состоят из следующих компонентов: ротор, генератор, и структурный компонент поддержки (который может принимать форму либо башен, механизма ротора поворота вокруг вертикальной оси, или оба).

Ротор состоит из лопастей, которые улавливают энергию ветра, и вала, который преобразует энергию ветра в низкоскоростную энергию вращения. Генератор, который соединен с валом, преобразует медленное вращение в высокое в электрическую энергию, используя серию магнитов и проводник (который обычно состоит из медного витого провода).

Когда магниты вращаются с медным проводом, он создает разницу в электрическом потенциале, создавая напряжение и электрический ток. Наконец, имеется конструктивный опорный компонент, который обеспечивает то, что турбина либо стоит на достаточно большой высоте, чтобы оптимально фиксировать изменения давления ветра, и / или должна быть направлена в направлении потока ветра.

Типы ветряных турбин:

В настоящее время существует два основных типа ветряных турбин - ветряные турбины с горизонтальной осью (HAWT) и ветряные турбины с вертикальной осью (VAWT). Как следует из названия, горизонтальные ветряные турбины имеют вал главного ротора и электрический генератор в верхней части башни, а лопасти направлены на ветер. Турбины, как правило, расположены с наветренной стороны от его опорной башни, так как башни, скорее всего, производят турбулентности позади него.

У турбин с вертикальной осью (опять же, как следует из названия) вал главного ротора расположен вертикально. Как правило, они меньше по своей природе, и для вращения не нужно указывать направление ветра. Таким образом, они могут использовать ветер, изменяющийся по направлению.

В целом, горизонтальные ветряные турбины считаются более эффективными и могут производить больше энергии. Хотя вертикальная модель вырабатывает меньше электроэнергии, ее можно размещать на более низких высотах и требовать меньшего количества компонентов (в частности, механизма рыскания). Ветровые турбины также могут быть разделены на три основные группы в зависимости от их дизайна, которые включают модели Towered, Savonius и Darrieus.

Вышеприведенная модель - это самая обычная форма HAWT, состоящая из башни (как следует из названия) и серии длинных лезвий, которые находятся впереди (и параллельно) башни. Savonis - это модель VAWT, которая использует контурные лезвия (совки) для захвата ветра и вращения. Как правило, они малоэффективны, но имеют преимущество в том, что они запускаются самостоятельно. Эти виды турбин часто являются частью ветровых операций на крыше или устанавливаются на морских судах.

Модель Darrieus, также известную как турбина «Eggbeater», названа в честь французского изобретателя, который первым разработал модель - Жоржа Дарриуса. Эта модель VAWT использует ряд вертикальных лезвий, которые расположены параллельно вертикальной опоре. Как правило, они имеют низкую эффективность, требуют дополнительного ротора, чтобы начать вращаться, создавать высокий крутящий момент и создавать высокое напряжение на башне. Следовательно, они считаются ненадежными в процессе разработки.

История развития:

Ветроэнергетика использовалась на протяжении тысячелетий для подъема парусов, ветряных мельниц или для создания давления для водяных насосов. Самые ранние известные примеры относятся к Центральной Азии, где ветряные мельницы, использовавшиеся в древней Персии (Иран), были датированы периодом от 500 до 900 г. н.э. Технология начала появляться в Европе в средние века, и стала общей чертой в 16 веке.

К 19 веку, с развитием электрической энергии, были построены первые ветряные турбины, способные генерировать электричество. Первый был установлен в 1887 году шотландским академиком Джеймсом Блайтом для освещения его дома отдыха в Мэрикирке, Шотландия. В 1888 году американский изобретатель Чарльз Ф. Браш построил первую автоматизированную ветряную турбину для своего дома в Кливленде, штат Огайо.

К началу 20-го века ветряные турбины стали обычным средством питания домов в отдаленных районах (таких как усадьбы). В 1941 году в Вермонте была установлена первая ветряная турбина класса мегаватт, которая была подключена к местной энергосистеме. В 1951 году Великобритания установила свою первую ветряную турбину, соединенную с энергосистемой, на Оркнейских островах.

К 1970-м годам исследования и разработки в области технологий ветряных турбин значительно продвинулись благодаря кризису ОПЕК и протестам против ядерной энергетики. В последующие десятилетия в западноевропейских странах и Соединенных Штатах начали появляться ассоциации и лоббисты, занимающиеся альтернативной энергетикой. К последнему десятилетию 20-го века аналогичные усилия были предприняты в Индии и Китае из-за растущего загрязнения воздуха и растущего спроса на чистую энергию.

Сила ветра:

По сравнению с другими видами возобновляемой энергии энергия ветра считается очень надежной и устойчивой, поскольку ветер постоянен из года в год и не уменьшается в часы пик спроса. Первоначально строительство ветряных электростанций было дорогостоящим предприятием. Но благодаря недавним улучшениям, ветроэнергетика начала устанавливать пиковые цены на оптовых рынках энергии по всему миру и сокращать доходы и прибыль отрасли ископаемого топлива.

Согласно отчету, опубликованному Министерством энергетики в марте 2015 года, рост энергии ветра в Соединенных Штатах может привести к созданию еще более высококвалифицированных рабочих мест во многих категориях. Этот документ, озаглавленный «Видение ветра: новая эра ветроэнергетики в Соединенных Штатах», указывает, что к 2050 году на долю промышленности может приходиться до 35% производства электроэнергии в США.

Кроме того, в 2014 году Глобальный совет по ветроэнергетике и Гринпис Интернэшнл собрались вместе, чтобы опубликовать отчет под названием «Глобальная перспектива ветроэнергетики 2014». В этом отчете указывалось, что во всем мире к 2050 году ветроэнергетика может обеспечить до 25–30% мирового электричества. На момент написания отчета общая мощность коммерческих установок в более чем 90 странах составляла 318 гигаватт (ГВт), обеспечивая около 3,1% мирового предложения.

Это представляет почти шестнадцатикратное увеличение уровня усыновления с 2000 года, когда ветроэнергетика составляла менее 0,2%. Другой способ взглянуть на это - сказать, что доля рынка ветроэнергетики удвоилась за четыре года менее чем за 15 лет. Это ставит его на второе место после солнечной энергии, которая удвоилась за тот же период в семь раз, но по-прежнему уступает место ветру с точки зрения его общей доли рынка (около 1% к 2014 году).

С точки зрения его недостатков, одна постоянно поднимаемая проблема заключается в том, какое влияние оказывают ветряные турбины на местную дикую природу, а также на то, как их присутствие влияет на местный ландшафт. Тем не менее, эти опасения часто оказывались раздутыми группами с особыми интересами и лоббистами, стремящимися дискредитировать энергию ветра и другие возобновляемые источники энергии.

Например, исследование 2009 года, опубликованное Национальной лабораторией возобновляемой энергии, установило, что при строительстве крупных ветряных электростанций постоянно нарушается менее 1 акра на мегаватт, а временно - менее 3,5 акра на мегаватт. В том же исследовании сделан вывод о том, что воздействие на дикую природу птиц и летучих мышей относительно низкое, и что те же выводы справедливы и для морских платформ.

Во всем мире правительства и местные сообщества стремятся использовать энергию ветра для удовлетворения своих энергетических потребностей. В эпоху растущих цен на топливо, растущих опасений по поводу изменения климата и совершенствования технологий это вряд ли удивительно. При нынешнем уровне принятия он, вероятно, станет одним из крупнейших источников энергии к середине столетия.

И обязательно посмотрите этот видеоролик о ветровых турбинах, предоставленный Исследовательским центром Льюиса НАСА:

Мы написали много интересных статей о ветровых турбинах и ветроэнергетике здесь, в журнале Space. Вот что такое альтернативная энергия? Что такое ископаемое топливо? Какие существуют различные виды возобновляемой энергии ?, Энергия ветра в океане (с помощью из космоса) и Может ли мир работать на солнечной энергии и энергии ветра?

Для получения дополнительной информации ознакомьтесь со статьей How Stuff Works об истории и механике ветроэнергетики и страницей НАСА Greenspace.

В Astronomy Cast также есть несколько эпизодов, которые имеют отношение к теме. Вот Эпизод 51: Земля и Эпизод 308: Изменение климата.

Источники: