Устройство ветрогенератора: Подробно об устройстве ветрогенератора | Принцип работы, конструкция

Преимущества и недостатки ветрогенераторов

Для зарядки тяговых аккумуляторов от береговой электрической сети на яхте устанавливают комбинированный инвертор или  зарядное устройство. В межсезонье с этой задачей справляется небольшая солнечная панель. Ветряную турбину имеет смысл использовать, когда требуется дополнительный мощный источник зарядки, который будет работать на яхте совместно с солнечными батареями или гидрогенератором.

Яхтенные ветрогенераторы – это небольшие устройства относительно малой мощности. Однако вырабатываемой ими энергии достаточно, чтобы в течении суток зарядить 12-вольтовую аккумуляторную батарею емкостью 800 ампер-часов.  Плюс ветрогенератора в том, что он производит электрическую энергию практически постоянно — во время движения и на якорной стоянке, в солнечные и в пасмурные дни. Ветрогенератор не требует технического обслуживания, ремонта и дополнительного оборудования для запуска.

Но существуют и минусы. Яхтенные маршруты, проложенные по ветру отнимают у генератора часть его мощности. А поскольку энергия ветра зависит от третьей степени его скорости, то с уменьшением скорости, мощность ветрогенератора стремительно падает. Например, при реальной скорости ветра 20 узлов, для яхты идущей по ветру со скоростью 8 узлов наблюдаемая скорость ветра составит всего 12 узлов. При ветре 20 узлов большинство моделей малых ветрогенераторов вырабатывают около 200 Вт, а при 12 узлах мощность опускается до 40-50 Вт. Зависимость мощности турбины от скорости ветра необходимо учитывать и при планировании стоянок. Порты и якорные стоянки привлекают владельцев яхт именно потому, что обеспечивают защиту от стихии, значит скорость ветра там ниже, чем прогнозируется на расстоянии от берега.

Все небольшие ветрогенераторы имеют примерно одинаковую максимальная мощность — от 400 до 600 Вт. Однако более важная характеристика – это ток, отдаваемый турбиной при слабом ветре. Ведь именно с ним большинство владельцев яхт хотят иметь дело во время своих путешествий. Поэтому производительность ветрогенератора при относительной скорости ветра 12 или 20 узлов гораздо лучший показателем его зарядной способности

Кроме того, кривые мощности, которые приводят производители ветрогенераторов основаны на результатах испытания плавным, постоянным воздушным потоком в аэродинамической трубе. Реальные результаты могут оказаться гораздо ниже. Поэтому там где требуется гарантированно высокая мощность владельцы предпочитают устанавливать две турбины и подключать их параллельного через один регулятор.

Как установить ветрогенератор на яхте

Чтобы получить от ветрогенератора максимальную выходную мощность, необходимо выполнить два условия. Во-первых, конструкция на которой установлена турбина должна быть как можно более устойчивой, иначе любая качка или крен будут отворачивает ее от ветра. Во-вторых, ветрогенератору нужен свободный, ровный и гладкий воздушный поток

В какой-то степени эти два требования противоречат друг другу. Скорость ветра на мачте может быть на 50 процентов выше, чем на уровне моря, поэтому чем выше вы поднимите ветрогенератор, тем больше энергии вы получите. С другой стороны турбина, ее крепление и кабельная разводка весят 20-30 кг. Такой дополнительный вес на движущейся яхте увеличивает маятниковый эффект, а значит возрастают тангаж и крен и снижается общая устойчивость

Существует множество успешных установок ветрогенераторов на мачтах. Однако для большинства владельцев яхт устанавливать турбину рекомендуется поверх кокпита. Там ее проще монтировать и обслуживать, а если возникнет неисправность, и другие способы торможения выйдут из строя, устройство можно будет отключить вручную.

Падение напряжения в кабеле существенно влияет на общую производительность системы зарядки. При установке турбины внизу кабель от нее до аккумуляторов окажется гораздо короче, а значит его сечение можно выбрать меньше и это не увеличит потери энергии .

Контроллер заряда ветрогенератора

На первый взгляд сохранение полученной электрической энергии в аккумуляторе  — это самая простая часть ветряной энергоустановки. Однако единого способа решения этой задачи среди производителей не существует и каждый из них придерживается собственных подходов.

Английская компания Marlec, использует MPPT регулятор. MPPT контроллеры получили распространение благодаря солнечным источникам энергии, у которых они повысили выходную мощность на целых 30 процентов. Контроллер регулирует напряжение генератора так, чтобы в каждый момент времени мощность установки была максимальной. Для снижения скорости турбины Marlec применяет широтно-импульсную модуляцию. Когда заряд аккумуляторной батареи приближается к 100% и ей требуется меньше энергии ШИМ-регулятор замыкает обмотки все более длинными импульсами, создавая растущий тормозной момент.

Создатель ветрогенератора D400 Петер Андерсен из компании Eclectic Energy придерживается другого подхода. Он считает, что обеспечить структурированный выходной сигнал на основе такого входа как у ветряных турбин нельзя. Более того исследование показывают, что общая производительность системы с MPPT контроллером не возрастает, а иногда наоборот снижается.

Другие производители также считают, что MPPT регулятор не добавляет достоинств небольшой ветряной турбине с правильно спроектированным и оптимизированным для низких скоростей ветра генератором. Преимущества, достигаемые благодаря эффективности генератора, сводятся на нет потерями в электронике MPPT. Однако PWM регулятор  позволяет заряжать аккумулятор до 100 процентов, поскольку обеспечивает аккумулятор именно тем током, который батарея может принять на каждой стадии зарядки.

Некоторые производители вместо MPPT контроллера, устанавливают на выходе генератора DC-DC конвертер. Конвертер повышает выходное напряжение генератора и позволяет заряжать аккумуляторы при слабом ветре (скоростью менее 2 м /с ). Ветрогенераторы с DС-DС преобразователями начинают зарядку аккумуляторов при выходном напряжении от 2 вольт и обеспечивают зарядную мощность  3 — 5 Вт. Такие устройства подходят для заряда аккумуляторов на защищенных от ветра стоянках, однако дополнительное количество энергии, получаемое от них, не велико.

Многие намеренно не используют технологии MPPT или PWM, считая простоту и надежность ключевыми достоинствами своих изделий. Если турбины работают совместно с солнечными батареями, то ветрогенератор реализует этап быстрой зарядки, а до 100% аккумуляторы заряжают солнечные панели . Дополнительная электроника в этом случае лишь увеличивает сложность и повышает стоимость изделий

Дополнительно с внешним, часто используют разгрузочный регулятор. Его добавляют, чтобы контролировать мощность, поступающую от турбины. Когда заряженность аккумулятора возрастает, избыток энергии отводят через резистор, рассеивающий тепло. С таким регулятором турбина всегда работает при полной нагрузке, а ее лопасти вращаются с оптимальной частотой.

Системы имеющие только встроенный «регулятор» турбины, лучше не использовать. Такой регулятор представляет собой электронный тормоз, срабатывающий, когда напряжение аккумулятора поднялось слишком высоко, а турбина продолжает выдавать много энергии. После остановки генератора напряжение аккумулятора падает и регулятор перезапускает генератор вновь. Если аккумуляторов почти заряжен, то происходит многократная остановка и повторный запуск ветрогенератора. Этот метод регулирование далек от того, который нужен аккумуляторной батарее — по мере увеличения заряженности ток должен плавно понижаться.

Лопасти ветрогенератора

Конструкция лопастей турбины – это еще одна область в которой модели разных производителей отличаются друг от друга. Лопасть во время вращения подвергается тем же воздействиям, что и  крыло самолета. Однако в их работе существуют и небольшие отличия. Если у лопастей постоянный шаг, то их оптимальный режим работы достигается при одной заданной скорости вращения. Значит у слишком быстро или слишком медленно вращающейся турбины эффективность снижается

Немецкая компания Superwind выпускает ветрогенераторы с изменяемым шагом, величина которого зависит от скорости вращения. Чем быстрее вращается турбина, тем больше лопасти поворачиваются вокруг своей оси и сильнее замедляют вращение. Компания утверждает, что эта система реагирует очень быстро и может защитить систему в случае отказа электронного торможения.

Лопасти – основная причина шума и вибрации, исходящих от ветрогенератора. Если скорость вращения кончиков слишком высока, то обтекающий их поток воздуха становится нестабильным, возникает турбулентность и лопасти начинают вибрировать. Известен случай, когда лопасти установленного на яхте ветрогенератора издавали такой вой на высоких скоростях вращения, что соседние лодки были вынуждены покинуть якорную стоянку.

Существует специальный коэффициент (TSR), характеризующий во сколько раз кончик лопатки турбины движется быстрее, чем реальная скорость ветра. Например, если турбина имеет TSR равный 16 — при ветре в 20 узлов концы лопасти будут двигаться со скоростью 320 узлов, а при небольшом шторме их скорость приблизится к скорости звука. Для ветрогенератора D400 производитель указывает TSR всего 3,9. Это говорит о том, что турбина спроектирована для гораздо более медленного вращения, чем модели других производителей. D400 не самый легкий ветрогенератор, вес только чистой меди в его обмотках почти 1 кг. Но его преимущество в устойчивости, надежности и относительно низких оборотах вращения

Некоторые производители указывают для своих машин максимальную скорость ветра. Однако к этой характеристике следует относится с недоверием. В ветровом потоке наиболее разрушительным является  уровень турбулентности, а его нельзя не предсказать, ни легко измерить.

Мощность ветрогенератора

Перед установкой любого электрогенерирующего оборудования на яхте, в первую очередь считают потребление энергии. Расход вычисляют как для якорной стоянки, так и для движения под парусом. В результате появляется подобие некоторого энергетического бюджета, в котором перечислены как очевидные крупные потребители, такие как холодильники, дисплеи, водонагреватели и освещение, так и менее мощные устройства — ночные навигационные огни, насосы, газовые сигнализации, мониторы двигателей, развлекательные системы.

Для подруливающего устройства или электрической лебедки предусматривают дополнительный запас мощности. Если на яхте установлен кондиционер, маловероятно, что возобновляемые источники энергии удовлетворят его потребности. В этом случае лучше подумать о дизельном генераторе или топливных элементах.

После того как расход энергии подсчитан, оценивают стиль управления яхтой. Необходимо принять во внимание регулярную среднюю скорость на маршруте и понять двигается ли яхта чаще всего против ветра, или ей всегда сопутствует попутный? Дополнительно учитывают другие генерирующие мощности, установленные на борту — солнечные панели, гидрогенератор и зарядное устройство, работающее от генератора дизельного двигателя.

Управление ветрогенератором — АиП

Сергей Беляков, ведущий инженер, компания Эльстар, г. Калининград

Ветрогенераторы (или ветроэлектрические установки – ВЭУ) относятся к возобновляемым источникам энергии. От традиционных источников, вырабатывающих электроэнергию, их отличает отсутствие сырья и отходов, они могут работать в широком диапазоне условий окружающей среды: 100 % влажности и температуре от –40 до +85 °C. Единственное требование – высокий уровень ветра. ВЭУ способны генерировать высокие напряжения и токи, поэтому электрические компоненты должны выдерживать перенапряжения и быть невосприимчивыми к электромагнитным помехам, излучаемым генераторами и сетевыми коммутаторами. Чтобы ВЭУ оставались работоспособными и безопасными, должен вестись постоянный мониторинг электрических параметров (ток, напряжение), например, в облачном сервисе OwenCloud.

Ветроэлектрическая установка – устройство, преобразующее кинетическую энергию ветра в электрическую с помощью ветровых турбин. Типовая турбина ВЭУ имеет горизонтальную ось с трехлопастным ротором. Ветер вращает лопасти и посредством ротора приводит в движение низкооборотный вал, который через ступенчатую повышающую коробку передач передает вращение на высокоскоростной вал, вращающий генератор. Количество энергии, генерируемой ветровой турбиной, напрямую зависит от скорости ветра.

Обновление систем управления ВЭУ

В России эксплуатируется большое количество ВЭУ с генераторами асинхронного типа, как правило, бывшими ранее в эксплуатации в странах ЕС. Проработав по несколько лет на новом месте, ВЭУ останавливаются по причине выхода из строя блоков управления, которым требуется ремонт или замена. В частности, в Калининградской области по этой причине остановлен крупнейший в России ветропарк из 22 ВЭУ. Аналогичная ситуация складывается и в других регионах страны.

Некоторые компании предпринимают попытки заменить систему управления, однако проблема плавного подключения ВЭУ к сети нигде не решена. В свою очередь жесткое включение генераторов приводит к серьезным перегрузкам: токи могут в 6-10 раз превышать номинальные, что вызывает большой механический износ редукторов и перегрузку силовых элементов лопастей ветротурбин, а также быстрый износ контактов коммутаторов нагрузки.

Причины неисправности ВЭУ

Ветроэлектрическая установка AN Bonus 150/30 производства Siemens Wind Power A/S была установлена на территории агрофирмы «Мельниково» Гвардейского района Калининградской области в 2016 году и находится на сервисном обслуживании у компании Эльстар. ВЭУ обеспечивает электричеством холодильники, находящиеся на территории мясоперерабатывающего комплекса.

ВЭУ представляет собой высотную конструкцию, которая притягивает к себе электрические заряды и поэтому довольно часто подвергается грозовым разрядам. Несовершенная конструкция молниеотвода на описываемой ВЭУ привела к попаданию молнии в кабели метеостанции, из-за чего блок управления вышел из строя.

Поскольку платы блока управления имеют двухстороннюю топографию и покрыты непрозрачным составом, а в документации отсутствуют электрические схемы электронных блоков, попытки отремонтировать блок управления не увенчались успехом. Рассматривалась возможность приобретения бывших в употреблении блоков управления, однако риск получения неработоспособного оборудования не устроил владельцев ВЭУ. Было решено заменить оригинальную систему управления датского производства на систему собственной разработки с приборами ОВЕН, тем более, что оборудование ОВЕН уже использовалось для мониторинга параметров электросети ВЭУ.

Поиск решения

Задача управления механическими перемещениями ВЭУ, клапанами ее гидравлической тормозной системы, контроля метеорологических параметров и температурных режимов агрегатов достаточно тривиальна и решалась в короткий срок. Главная проблема – синхронизация частоты генератора с частотой сети и подключение его к сети.

Оригинальный блок управления синхронизировал частоту и плавно подключал генератор с помощью силовых тиристорных сборок. Этим процессом по специальному алгоритму управлял встроенный в блок управления контроллер, программа которого оказалась в недоступных прошивках ПЗУ.

Двухрежимный генератор (30/150 кВт), несмотря на значительные переходные процессы при прямом подключении 30 кВт на частоте 750 об/мин, не вызывает критических токов в цепях защиты коммутаторов сети. Однако прямое подключение генератора на частоте 1000 об/мин (150 кВт) сразу же активирует цепи защиты с отключением ВЭУ. Именно эту задачу плавного подключения генератора с электросети предстояло решить в ограниченные сроки.

Проблемы коммутации силовых цепей были решены с помощью специальных алгоритмов управления. При решении поставленных задач пришлось много внимания уделить вопросам помехозащищенности как цепей питания, так и измерительных цепей, так как работа асинхронного генератора, как правило, осуществляется на переходных процессах из-за быстро меняющейся скорости ветра и разной плотности воздушных потоков, действующих на лопасти турбины.

Восстановление системы увенчалось успехом – ВЭУ безотказно функционирует под управлением новой системы.

Система управления

Взамен вышедшей из строя системы управления ветрогенератором VESTAS 150/30 Rdn создана система на базе приборов ОВЕН, в состав которой вошли:

• программируемое реле ПР200 – 2 шт.;
• модуль аналогового ввода MВ110-8А;
• модуль дискретного ввода MВ110-16ДН;
• модуль измерения параметров электрической сети МЭ110-220;
• блок управления симисторами и тиристорами БУСТ2;
• сетевой шлюз для доступа к сервису OwenCloud RS-485 <-> GPRS ПМ210.

Одно реле ПР200 (master) управляет пуском ВЭУ и механическими системами, обеспечивает обмен данными дискретных и аналоговых датчиков с облачным сервисом OwenCloud и модулями МВ110. Второе реле ПР200 (slave) управляет силовой электроавтоматикой и подключением генератора к электросети, контролирует параметры электросети и токи в цепях генератора с помощью модуля МЭ110, который считывает ток, частоту и коэффициент мощности.

В качестве прибора управления силовыми тиристорами применяется БУСТ2. Для синхронизации был разработан специальный алгоритм управления коммутацией силовых тиристорных сборок, который обеспечивает плавное подключение генератора на синхронной частоте.

При условии покрытия сотовой связью места установки ВЭУ можно дистанционно управлять пуском и вести мониторинг параметров работы ВЭУ в облачном сервисе OwenCloud.

Система обеспечивает контроль следующих параметров ВЭУ:

• напряжение, токи, коэффициенты мощности и частоту на выходе генератора;
• скорость вращения винта турбины и вала генератора;
• ориентация гондолы по ветру и скорость ветра;
• температуру агрегатов, подшипника турбины и масла в редукторе;
• выработку электроэнергии, мгновенную мощность;
• состояние дискретных датчиков системы управления ВЭУ;
• состояние сигналов управления электроавтоматикой.

Мониторинг состояния ВЭУ ведет дежурный инженер на экране ПК, а также другие сотрудники на смартфоне в приложении OwenCloud. Права доступа к управлению параметрами ВЭУ разграничены в соответствии с внутренней системой безопасности управляющей компании. Каждый параметр отображается на вкладке облачного сервиса в реальном времени, сохраняется архив за 90 дней, также можно проследить динамику с помощью графического отображения данных.

В конце 2019 года система была запущена в опытную эксплуатацию и находится под постоянным наблюдением в облачном сервисе OwenCloud. Во время всего срока тестирования сбоев в управлении ВЭУ не зафиксировано. Система управления ВЭУ с асинхронными генераторами работает стабильно во всем диапазоне генерируемой мощности и ветровой нагрузки.

Планы

Компания ведет подготовку технических и программных решений для применения панельных контроллеров ОВЕН для управления и визуализации параметров работы ВЭУ. Панельный контроллер облегчит диагностику системы и управление пуском-остановом. Кроме того, в целях повышения надежности бесперебойной работы ВЭУ данного типа разрабатывается программа реновации электрооборудования ветрогенераторов. Прорабатывается решение дистанционного восстановления работоспособности ВЭУ включением резервных коммутационных электроаппаратов через радиомодемы, что особенно важно для ВЭУ, значительно удаленных от мест базирования сервисных служб.

Связаться с автором проекта

можно по адресу: [email protected] или по тел.: +7 (909) 794-53-61

Малые ветряные электрические системы | Министерство энергетики

Если у вас достаточно ветровых ресурсов в вашем районе и ситуация правильная, небольшие ветровые электрические системы являются одной из самых экономически эффективных домашних систем возобновляемой энергии — с нулевыми выбросами и загрязнением.

Небольшие ветряные электрические системы могут:

• Снизить ваши счета за электроэнергию на 50% –90%
• Помогите вам избежать высоких затрат, связанных с продлением линий электропередачи до удаленного места
• Помогите источникам бесперебойного питания выдержать длительные отключения электроэнергии .

Небольшие ветряные электрические системы также могут использоваться для множества других применений, включая перекачку воды на фермах и ранчо.

На наших страницах, посвященных планированию малой ветроэнергетической системы, а также об установке и техническом обслуживании небольшой ветровой электрической системы, есть дополнительная информация.

Как работает небольшая ветровая электрическая система

Ветер создается из-за неравномерного нагрева поверхности Земли солнцем. Ветровые турбины преобразуют кинетическую энергию ветра в чистое электричество.Когда ветер вращает лопасти ветряной турбины, ротор улавливает кинетическую энергию ветра и преобразует ее во вращательное движение, чтобы привести в действие генератор. Большинство турбин имеют автоматические системы управления превышением скорости, чтобы ротор не выходил из-под контроля при очень сильном ветре. В нашей анимации по ветроэнергетике есть больше информации о том, как работают ветровые системы, и о преимуществах, которые они предоставляют.

Небольшая ветровая система может быть подключена к электросети через вашего поставщика электроэнергии или может быть автономной (вне сети).Это делает небольшие ветровые электрические системы хорошим выбором для сельских районов, которые еще не подключены к электросети.

Компоненты малой ветроэнергетической системы

Ветряная электрическая система состоит из ветряной турбины, установленной на опоре для обеспечения лучшего доступа к более сильным ветрам. В дополнение к турбине и башне, небольшие ветряные электрические системы также требуют компонентов балансировки системы.

Турбины

Большинство малых ветряных турбин, производимых сегодня, представляют собой горизонтально-осевые, направленные против ветра машины с двумя или тремя лопастями.Эти лезвия обычно изготавливаются из композитного материала, например из стекловолокна.

Рама турбины — это конструкция, на которой крепятся ротор, генератор и хвостовая часть. Количество энергии, которое будет производить турбина, в первую очередь определяется диаметром ее ротора. Диаметр ротора определяет его «рабочую площадь» или количество ветра, перехватываемого турбиной. Хвост удерживает турбину направленной против ветра.

Башни

Поскольку скорость ветра увеличивается с высотой, небольшая ветряная турбина устанавливается на башне.Как правило, чем выше башня, тем больше мощности может производить ветровая система.

Относительно небольшие вложения в увеличенную высоту градирни могут дать очень высокую доходность при производстве электроэнергии. Например, чтобы поднять 10-киловаттный генератор с 60-футовой башни до 100-футовой башни, необходимо увеличить общую стоимость системы на 10%, но он может производить на 25% больше энергии.

Большинство производителей турбин предоставляют комплекты ветроэнергетических систем, которые включают башни. Выделяют два основных типа башен: самонесущие (отдельно стоящие) и с оттяжками.Существуют также наклонно-опускающиеся башни с оттяжками. В большинстве домашних ветроэнергетических установок используются башни с оттяжками, которые являются наименее дорогими и более простыми в установке, чем самонесущие башни. Однако, поскольку радиус оттяжек должен составлять от половины до трех четвертей высоты башни, башни с оттяжками требуют достаточно места для их размещения.

Хотя наклонно опускающиеся башни более дороги, они предлагают потребителю простой способ обслуживания небольших легких турбин, обычно 10 киловатт или меньше.Опускающиеся башни также можно опускать на землю во время опасных погодных условий, таких как ураганы. Алюминиевые башни склонны к растрескиванию, и их следует избегать.

Баланс компонентов системы

Баланс компонентов системы, которые вам понадобятся для небольшой ветроэнергетической системы — помимо ветряной турбины и башни — будет зависеть от вашего приложения. Например, детали, необходимые для водяной насосной системы, будут сильно отличаться от того, что вам нужно для бытового применения.

Требуемый баланс компонентов системы также будет зависеть от того, является ли ваша система подключенной к сети, автономной или гибридной.

Большинство производителей могут предоставить вам системный пакет, который включает в себя все компоненты, необходимые для вашего конкретного приложения. Для приложений, подключенных к жилой сети, компоненты баланса системы могут включать следующее:

• Контроллер
• Аккумуляторные батареи
• Инвертор (блок кондиционирования)
• Проводка
• Электрический выключатель
• Система заземления
• Фундамент под башню.

Как работает ветряная турбина

От огромных ветряных электростанций, вырабатывающих электроэнергию, до небольших турбин, питающих один дом, ветровые турбины по всему миру вырабатывают чистую электроэнергию для различных нужд.

В Соединенных Штатах ветряные турбины становятся обычным явлением. С начала века общая мощность ветроэнергетики в США увеличилась более чем в 24 раза. В настоящее время в США достаточно ветроэнергетических мощностей для выработки электроэнергии, достаточной для питания более 15 миллионов домов, что помогает проложить путь к экологически чистой энергии будущего.

Концепция использования энергии ветра для выработки механической энергии восходит к тысячелетиям. Еще в 5000 году до нашей эры египтяне использовали энергию ветра для передвижения лодок по реке Нил. Американские колонисты использовали ветряные мельницы для измельчения зерна, перекачивания воды и распиловки древесины на лесопилках. Сегодняшние ветряные турбины — это современный эквивалент ветряной мельницы, преобразующий кинетическую энергию ветра в чистую возобновляемую электроэнергию.

Как работает ветряная турбина?

Большинство ветряных турбин состоит из трех лопастей, установленных на башне из стальных труб.Реже встречаются варианты с двумя лопастями, с бетонными или стальными решетчатыми башнями. На высоте 100 футов или более над землей башня позволяет турбине использовать преимущества более высоких скоростей ветра, обнаруживаемых на больших высотах.

Турбины улавливают энергию ветра с помощью лопастей, похожих на пропеллер, которые действуют как крыло самолета. Когда дует ветер, с одной стороны лезвия образуется карман с воздухом низкого давления. Затем воздушный карман низкого давления притягивает к себе лезвие, вызывая вращение ротора.Это называется лифтом. Сила подъемной силы намного сильнее, чем сила ветра на передней стороне лопасти, что называется сопротивлением. Комбинация подъемной силы и сопротивления заставляет ротор вращаться как пропеллер.

Ряд шестерен увеличивают вращение ротора примерно с 18 оборотов в минуту до примерно 1800 оборотов в минуту — скорость, которая позволяет генератору турбины вырабатывать электричество переменного тока.

Обтекаемый корпус, называемый гондолой, содержит ключевые компоненты турбины — обычно включая шестерни, ротор и генератор — находятся внутри корпуса, называемого гондолой.Некоторые гондолы, расположенные на вершине турбинной башни, достаточно велики, чтобы на них мог приземлиться вертолет.

Еще одним ключевым компонентом является контроллер турбины, который не позволяет скорости ротора превышать 55 миль в час, чтобы избежать повреждения сильным ветром. Анемометр непрерывно измеряет скорость ветра и передает данные контроллеру. Тормоз, также расположенный в гондоле, останавливает ротор механически, электрически или гидравлически в аварийных ситуациях. Изучите интерактивный рисунок выше, чтобы узнать больше о механике ветряных турбин.

Типы ветряных турбин

Есть два основных типа ветряных турбин: с горизонтальной осью и с вертикальной осью.

Большинство ветряных турбин имеют горизонтальную ось: конструкция в виде пропеллера с лопастями, вращающимися вокруг горизонтальной оси. Турбины с горизонтальной осью работают либо против ветра (ветер ударяет лопасти перед башней), либо по ветру (ветер бьет в башню перед лопастями). Ветровые турбины также включают в себя привод рыскания и двигатель — компоненты, которые поворачивают гондолу, чтобы ротор был обращен к ветру при изменении его направления.

Хотя существует несколько производителей ветряных турбин с вертикальной осью, они не проникли на рынок коммунальных услуг (мощностью 100 кВт и более) в той же степени, что и турбины с горизонтальным доступом. Турбины с вертикальной осью делятся на две основные конструкции:

,
• , турбины с тормозным механизмом, или турбины Савониуса, обычно имеют роторы со сплошными лопастями, которые вращаются вокруг вертикальной оси.
• Лифтовые турбины, или турбины Дарье, имеют высокий вертикальный аэродинамический профиль (некоторые имеют форму взбивания яиц).Windspire — это тип лифтовой турбины, которая проходит независимые испытания в Национальном центре ветроэнергетики Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии.

Применение ветряных турбин

Ветровые турбины используются в самых разных сферах — от использования прибрежных ветровых ресурсов до выработки электроэнергии для одного дома:

• Большие ветряные турбины, наиболее часто используемые коммунальными предприятиями для подачи энергии в сеть, варьируются от 100 киловатт до нескольких мегаватт.Эти турбины для коммунальных предприятий часто объединяются в ветряные электростанции для производства большого количества электроэнергии. Ветряные электростанции могут состоять из нескольких или сотен турбин, обеспечивающих мощность, достаточную для десятков тысяч домов.
• Небольшие ветряные турбины мощностью до 100 киловатт обычно устанавливаются рядом с местами, где будет использоваться вырабатываемая электроэнергия, например, возле домов, телекоммуникационных тарелок или водонасосных станций. Небольшие турбины иногда подключаются к дизельным генераторам, батареям и фотоэлектрическим системам.Эти системы называются гибридными ветровыми системами и обычно используются в удаленных, автономных местах, где нет подключения к коммунальной сети.
• Морские ветряные турбины используются во многих странах для использования энергии сильных, постоянных ветров, возникающих у береговых линий. Потенциал технических ресурсов ветров над прибрежными водами США достаточен для выработки более 4000 гигаватт электроэнергии, что примерно в четыре раза превышает генерирующие мощности нынешних США.электроэнергетическая система. Хотя не все эти ресурсы будут освоены, это дает большую возможность обеспечить энергией густонаселенные прибрежные города. Чтобы воспользоваться преимуществами огромных морских ветровых ресурсов Америки, Департамент инвестирует в три демонстрационных проекта оффшорной ветроэнергетики, предназначенных для развертывания морских ветровых систем в федеральных водах и водах штата к 2017 году.

Будущее ветряных турбин

Для обеспечения будущего роста США ветроэнергетика, ветровая программа Министерства энергетики работает с отраслевыми партнерами, чтобы повысить надежность и эффективность ветряных турбин, а также снизить затраты.Исследования, проводимые в рамках программы, помогли увеличить средний коэффициент использования мощности (показатель производительности электростанции) с 22 процентов для ветряных турбин, установленных до 1998 года, до более чем 32 процентов для турбин, установленных в период с 2006 по 2012 годы. от 55 центов за киловатт-час (кВтч) в 1980 году до менее 6 центов за киловатт-час сегодня в районах с хорошими ветровыми ресурсами.

Ветряные турбины предоставляют уникальную возможность использовать энергию в тех регионах, где население нашей страны нуждается в ней больше всего.Это включает в себя потенциал оффшорного ветра для обеспечения энергией населенных пунктов вблизи береговой линии и способность наземного ветра доставлять электроэнергию в сельские общины с небольшим количеством других местных источников энергии с низким содержанием углерода.

Министерство энергетики продолжает работу по развертыванию ветровой энергии в новых районах на суше и на море и обеспечению стабильной и безопасной интеграции этой энергии в электрическую сеть нашей страны.

Это крошечное устройство может собирать энергию ветра из ветерка, который вы даете, когда вы идете — ScienceDaily

Большая часть ветра, имеющегося на суше, слишком слабый, чтобы толкать лопасти коммерческих ветряных турбин, но теперь исследователи в Китае разработали своего рода «крошечная ветряная турбина», которая может поглощать энергию ветра от бриза так же мало, как от бриза, созданного быстрой прогулкой.Метод, представленный 23 сентября в журнале Cell Reports Physical Science , представляет собой недорогой и эффективный способ сбора легких ветров в качестве источника микроэнергии.

Новое устройство технически не является турбиной. Это наногенератор, состоящий из двух пластиковых полос в трубке, которые трепещут или хлопают вместе, когда есть воздушный поток. Подобно трению воздушного шара о волосы, два пластика становятся электрически заряженными после отделения от контакта, это явление называется трибоэлектрическим эффектом.Но вместо того, чтобы заставить ваши волосы встать дыбом, как у Эйнштейна, электричество, вырабатываемое двумя пластиковыми полосками, улавливается и сохраняется.

«Вы можете собрать все легкие в повседневной жизни», — говорит старший автор Янг Ян из Пекинского института наноэнергетики и наносистем Китайской академии наук. «Однажды мы поместили наш наногенератор на руку человека, и потока воздуха от качающейся руки было достаточно для выработки энергии».

Слабого ветра 1,6 м / с (3,6 миль в час) было достаточно для питания трибоэлектрического наногенератора, разработанного Яном и его коллегами.Наногенератор работает наилучшим образом при скорости ветра от 4 до 8 м / с (от 8,9 до 17,9 миль в час), скорости, которая позволяет двум пластиковым полоскам колебаться синхронно. Устройство также имеет высокий КПД преобразования энергии ветра в энергию, равный 3,23%, что превышает ранее заявленные характеристики по поглощению энергии ветра. В настоящее время устройство исследовательской группы может питать 100 светодиодных ламп и датчиков температуры.

«Мы не намерены заменять существующую технологию производства ветровой энергии. Наша цель — решить проблемы, которые традиционные ветряные турбины не могут решить», — говорит Ян.«В отличие от ветряных турбин, в которых используются катушки и магниты, где стоимость фиксирована, мы можем выбирать недорогие материалы для нашего устройства. Наше устройство также можно безопасно применять в заповедниках или городах, поскольку оно не имеет вращающихся конструкций. . »

Ян говорит, что у него есть два видения следующих шагов проекта: одно маленькое и одно большое. В прошлом Ян и его коллеги разработали наногенератор размером с монету, но он хочет сделать его еще мельче, компактнее и эффективнее.В будущем Ян и его коллеги хотели бы объединить это устройство с небольшими электронными устройствами, такими как телефоны, чтобы обеспечить устойчивую электроэнергию.

Но Ян также хочет сделать устройство больше и мощнее. «Я надеюсь увеличить мощность устройства до 1000 Вт, чтобы оно могло конкурировать с традиционными ветряными турбинами», — говорит он. «Мы можем разместить эти устройства в местах, недоступных для традиционных ветряных турбин. Мы можем разместить их в горах или на крышах зданий для обеспечения устойчивой энергетики.«

История Источник:

Материалы предоставлены Cell Press . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

«Крошечная ветряная турбина» может собирать энергию от качающейся руки ходунка | Возобновляемая энергия

Ученые разработали «крошечную ветряную турбину», которая может поглощать энергию ветра, создаваемого во время ходьбы.

Представьте, что вы на несколько секунд потираете шарик о волосы — слышите ли вы потрескивание статического электричества, видите, как ваши волосы встают дыбом? По словам исследователей, работающих над устройством, эта энергия, питаемая контактом и разделением двух материалов, может быть запакована и сохранена для использования.

Китайские ученые надеются, что это устройство сможет генерировать устойчивую электроэнергию при низкой стоимости и эффективности. По словам исследователей, после размещения на качающейся руке человека потока воздуха достаточно для выработки энергии.

«Наша цель — решить проблемы, которые традиционные ветряные турбины не могут решить», — сказал в своем заявлении ведущий автор, д-р Я. Ян из Пекинского института наноэнергетики и наносистем. «В отличие от ветряных турбин, в которых используются катушки и магниты, где затраты фиксированы, мы можем выбирать недорогие материалы для нашего устройства.”

Устройство состоит из двух пластиковых полосок в трубке, которые колеблются или хлопают вместе в присутствии воздушного потока. По словам исследователей, легкого ветерка со скоростью 1,6 метра в секунду достаточно для питания устройства, но лучше всего оно работает на скорости, обеспечивающей синхронное трепетание двух пластиковых полос, когда скорость ветра составляет от 4 до 8 м / с.

Устройство представляет собой простой и надежный метод генерирования небольшого количества энергии, которое затем можно использовать различными способами, например, для питания удаленных датчиков, камер наблюдения или даже метеостанции на вершине холма, которая в противном случае по словам Ричарда Кокрейна, доцента по возобновляемым источникам энергии из Университета Эксетера, который не принимал участия в исследовании.

«Мы не увидим, что это нововведение заменит большие турбины, но мы видим, что все большее количество подобных технологий используется для сбора энергии … обеспечения электроэнергией в местах, куда иначе получить электроэнергию довольно сложно».

На данный момент устройство способно питать 100 светодиодных ламп и датчиков температуры, заявили его производители. Он также имеет эффективность преобразования ветра в энергию 3,23%, что, по их утверждениям, превышает ранее сообщенные показатели по поглощению энергии ветра.

В своей статье, опубликованной в Cell Reports Physical Science, исследователи показывают, что частота колебаний зависит от скорости ветра, воздействующего на устройство, — отметил Кокрейн.

«Но что будет интересно, так это посмотреть, насколько чувствительна выходная энергия к этой частоте или скорости ветра. Нужна ли им определенная частота, чтобы получать от нее энергию? Если он колеблется ниже 24 Гц, может ли он вырабатывать энергию? »

Кроме того, когда что-то шатается вперед и назад, материалы устают, поэтому интересно посмотреть, как долго эти устройства прослужат, сказал он.

«А как же тогда технология справляется со льдом, дождем, пылью и соленым ветром, дующим с моря? Было бы неплохо увидеть это доказанным, потому что с обычными турбинами это может быть проблемой ».

Между тем его создатели мечтают о многом. Они надеются объединить его с небольшими электронными устройствами, такими как телефоны, чтобы обеспечить устойчивую электроэнергию и, в конечном итоге, сделать устройство конкурентоспособным с традиционными ветряными турбинами, мощность которых сильно зависит от высокой скорости ветра.

Нет больше ветряных мельниц: ветроуловители используют технику Вентури для выработки энергии

Множество сложных проблем связано с анализом сети — все, от того, как вирусы распространяются среди населения, до выбора наиболее эффективного маршрута для перехода к нескольким точкам в сети (например, дороги или железные дороги), чтобы вычислить наименьшее количество мутаций, необходимых для преобразования одной цепочки ДНК в другую.

Чтобы упростить задачу решения этих ресурсоемких сетевых проблем без использования программного обеспечения, исследователи из Национального технологического института (NIST) разработали электронное оборудование, которое копирует архитектуру сети.Подобно аналоговому компьютеру, он затем применяет логику гонки для быстрого решения множества сложных головоломок с минимальными затратами энергии по сравнению с компьютерами общего назначения.

На этой схеме сетевой проблемы показано расстояние в милях между городами A, B, C, D и E. Три грузовика, каждый из которых едет со скоростью одну милю в час, выбирают разные пути в гонке, чтобы перейти из города A в город E. в кратчайшие сроки.

Логика Race кодирует информацию иначе, чем в стандартном компьютере.Цифровая информация обычно кодируется и обрабатывается с использованием компьютерных битов, где «1» указывает на то, что логическое утверждение истинно, а «0» — на ложное. Когда бит меняет свое значение, скажем, с 0 на 1, это означает, что для решения математической задачи была выполнена определенная логическая операция.

В отличие от этого, логика гонки кодирует и обрабатывает информацию, представляя ее в виде сигналов времени, то есть времени, когда конкретная группа битов изменяется или переворачивается с 0 на 1. Большое количество переворотов битов является основной причиной, по которой стандартные компьютеры использовать столько энергии.Логика гонки кодирует сигналы, закодированные во времени, что включает только несколько битов переворотов для обработки информации, поэтому она потребляет гораздо меньше энергии, чем сигналы, закодированные как 0 или 1.

Через час красный грузовик находится на полпути к городу B, а синий грузовик — на четверти пути к городу C. Зеленый грузовик добрался до города D и получил его за зеленый.

Затем устройство NIST выполняет вычисления, добавляя задержки к сигналам времени на основе анализируемой сети. Например, представьте себе парк грузовиков в городе A, который должен доставить лекарства в город E как можно быстрее — относительно простая проблема.Возможные маршруты проходят через город B, город C и город D.

Для определения наиболее эффективного маршрута оборудование логики гонки оценивает каждый возможный сегмент поездки, например, от A до B и от A до D. Если от A до B. требуется больше времени для перемещения, чем от A до D, потому что это более длинный путь или имеет больший трафик, оборудование назначает A для B более длительное время задержки. В аппаратном обеспечении команды временные задержки создаются за счет добавления сопротивления более медленному сегменту.

Через два часа красный грузовик подъехал к городу B и забрал его за красный.Тем временем синий грузовик находится на полпути к городу C. Зеленый грузовик останавливается и отправляет два связанных грузовика (светло-зеленые).

Чтобы определить, какой маршрут к конечному пункту назначения самый быстрый, грузовики проезжают все возможные маршруты через различные промежуточные точки доставки. Итак, исследователи NIST вставили группу сигналов с временной кодировкой в ​​начальную точку, каждый из которых действует как отдельный драйвер, который проходит через смоделированную аппаратную схему команды.

Каждый раз, когда водитель прибывает в промежуточный пункт назначения, модель отправляет новых водителей (т.е., новые сигналы времени), которые расходятся в разные стороны к оставшимся пунктам назначения. Если водитель прибывает в пункт назначения, в котором уже был другой водитель, этот драйвер выпадает, потому что его путь больше не является конкурентоспособным. Победитель, первый водитель, прибывший на конец круга, проехал по кратчайшему маршруту, что является решением проблемы с сетью.

Через три часа красный грузовик захватил город B и отправил два грузовика (светло-красных), один в сторону города C, а другой — в сторону города E.Первым прибыл в город C светло-зеленый грузовик и забрал его. Другой светло-зеленый грузовик проехал две мили в сторону города E.

Через четыре часа передний светло-зеленый грузовик заезжает в город C и отправляет желтый грузовик. Желтый достигает города E и требует его, тем самым устанавливая кратчайший путь из города A в город E: от A до D, от D до C и от C до E по всем заштрихованным путям. Синий и светло-красный грузовики прибыли в город C, но не могут двигаться дальше, потому что он уже был забран.

Моделирование, проведенное командой NIST, показало, что его конструкция, еще не реализованная в рабочем устройстве, может обрабатывать гораздо более широкий класс сетей и головоломок.Эти головоломки включают в себя поиск наилучшего выравнивания между двумя белками или двумя цепочками нуклеотидов (молекул, которые образуют строительные блоки ДНК) и определение кратчайшего пути между двумя пунктами назначения в сети.

Команда NIST показала, как использовать память, которая не использовалась в предыдущих устройствах с гоночной логикой, для создания более общего темпорального компьютера.

Ветряные машины — обзор

15.2 Конфигурации ветряных машин

Было предложено несколько конфигураций ветряных машин, в том числе:

1.

тормозных турбин,

2.

подъемных турбин (с вертикальной или горизонтальной осью),

3.

ветряные установки на эффекте Магнуса,

4.

Vortex ветряные растения.

Практически все современные ветряные турбины относятся к лифтовому типу, и более 90% из них относятся к типу с горизонтальной осью. Эффект Магнуса и вихревые растения никогда не играли серьезной практической роли.

15.2.1 Ветряные турбины тормозного типа

В турбинах тормозного типа ветер оказывает силу в том направлении, в котором он дует, то есть он просто толкает поверхность, как это происходит в парусной лодке, идущей впереди ветра. Ясно, что поверхность, на которую падает ветер, не может двигаться быстрее, чем сам ветер.

Древний персидский ветряк представлял собой тягач. Рисунок 15.2 представляет собой эскиз такой мельницы, вид сверху. Он состоял из вертикальной оси, к которой крепились горизонтальные радиальные рычаги.Около концов этих рукавов была установлена ​​вертикальная завеса, и это была поверхность, на которую ветер оказывал полезную силу. Две стены направляли ветер, заставляя его дуть только с одной стороны устройства, создавая крутящий момент. Обратите внимание, что одна стена образует воронку, в которой собирается собранный ветер.

Рисунок 15.2. Вид сверху на древний персидский ветряк.

Ковшовая ветряная турбина, схематически изображенная на рис. 15.3, ( слева, ) является еще одним устройством тормозного типа с вертикальной осью.Он вращается, потому что выпуклая поверхность обеспечивает меньшее сопротивление ветру, чем вогнутая. Это устройство может быть дешево изготовлено любителями из бочки с маслом, разрезанной вдоль ее вертикальной оси. Работает неэффективно.

Рисунок 15.3. 2-ковшовая ВЭУ, (слева) . Поток воздуха в роторе Савониуса, (справа) .

Улучшить производительность можно, смещая ковши, как показано на рис. 15.3, ( правый ) так, чтобы между ними оставался зазор. Воздух ускоряется при прохождении зазора, уменьшая лобовое сопротивление выпуклого ковша.Затем он продувается с обратной стороны ковша для создания крутящего момента. Этот тип устройства называется ротором Savonius и фактически использует определенную подъемную силу (в дополнение) для сопротивления.

Турбины Савониуса не могут конкурировать по эффективности с чисто лифтовыми машинами, но их легко построить и найти применение в качестве датчиков в анемометрах и в качестве стартеров для вертикально-осевых подъемных машин.

15.2.2 Лифтовые ветряные турбины

В лифтовых машинах ветер создает силу, перпендикулярную направлению, в котором он дует.Знакомые пропеллерные ветроустановки — горизонтально-осевые, подъемные. Все подъемные турбины аналогичны парусникам, плавающим в поперечном направлении. Парусник (или лопасть турбины) может двигаться значительно быстрее, чем сам ветер. На рис. 15.4 показаны такие турбины.

Обратите внимание, что вал с приводом от гребного винта, который передает собранную энергию, находится высоко над уровнем земли. Обычно это требует одного из двух решений: либо электрический генератор размещается на вершине башни рядом с гребным винтом, либо длинный вал с соответствующими шестернями используется для передачи мощности генератору на уровне земли.Первое решение, хотя и требует усиленных опор, является предпочтительным из-за стоимости и трудностей передачи большой механической мощности по длинным валам. Установка генератора на вершине башни увеличивает массу той части системы, которая должна поворачиваться, когда ветер меняет направление.

Некоторые ветряные турбины имеют гребной винт перед генератором, а некоторые — за ним. Было обнаружено, что размещение выше по потоку снижает шум, производимый машиной.

Пропеллерная ветряная турбина, в которой используется наземный генератор, но не используется длинный вал, называется ветровой турбиной всасывающего типа. Он похож на обычную ветряную турбину, но вращающиеся лопасти действуют как центробежный насос. Лопасти полые и имеют перфорацию на конце, так что воздух выталкивается центробежным действием, создавая частичный вакуум около ступицы. Длинная труба соединяет ступицу со вспомогательной турбиной, расположенной на уровне земли. Напорный воздух приводит в движение эту турбину. Система не кажется достаточно многообещающей, чтобы оправдать дальнейшее развитие.

Одна конфигурация ветряной турбины не только позволяет размещать генератор на земле, но также избавляет от необходимости переориентировать машину каждый раз при изменении направления ветра — это ветряная турбина с вертикальной осью подъема. Конструкция, показанная в центре на рис. 15.4, была предложена Макдоннелл-Дугласом и получила название «Гиромилл». Он мог бы вырабатывать 120 кВт, но никогда не был коммерциализирован.

Одним из очевидных недостатков гиромиля является центробежная сила, которая заставляет крылья изгибаться наружу, оказывая на них значительную нагрузку.Элегантный способ избежать центробежных напряжений — сформировать крылья в форме, принимаемой вращающимся канатом, свободно прикрепленным к верхней и нижней части вращающегося вала. Это приводит к знакомой форме «взбивания яиц» и, конечно же, заставляет крыло работать только при напряжении.

Форма такой вращающейся веревки называется тропоском и очень похожа на цепную цепь . Однако есть разница. Контактная цепь — это «форма, принимаемая совершенно гибким нерастяжимым шнуром постоянной плотности и поперечного сечения, свободно свисающим с двух фиксированных точек.«На каждую единицу длины шнура действует одна и та же (гравитационная) сила. В случае тропоскина сила, действующая на каждый участок корда, зависит от расстояния участка от оси вращения.

Крыло с тропосковой оболочкой (правый рисунок на рис. 15.4 был впервые предложен французским инженером по имени Дарье, в честь которого назван этот тип ветряной турбины.

Рис. 15.4. Слева направо: турбина с горизонтальной осью (пропеллер) , и два станка с вертикальной осью — Gyromill и Darrieus.

15.2.3 Ветряные машины с эффектом Магнуса

Были предложены машины с эффектом Магнуса, но они выглядят бесперспективными. Этот эффект, обсуждаемый в Разделе 15.11, отвечает, помимо прочего, за «кривую» в бейсболе.

Когда питчер бросает кривую, он заставляет мяч вращаться, создавая асимметрию: одна сторона мяча движется быстрее по отношению к воздуху, чем другая, и, следовательно, создает «подъемную силу», которая изменяет траекторию полета мяча. . Аналогичный эффект возникает, когда вертикальный вращающийся цилиндр подвергается воздействию ветра.Результирующая сила, перпендикулярная направлению ветра, использовалась для перемещения парусников и ветряных машин.

15.2.4 Вихревые ветряные машины

Наконец, можно отобрать энергию ветра, заставив ее входить по касательной через вертикальную щель в вертикальный полый цилиндр. В результате воздух внутри вынужден вращаться, и возникающая центробежная сила вызывает появление радиального градиента давления. Центр этого столба воздуха, находящийся под давлением ниже атмосферного, всасывает наружный воздух через отверстия в нижней части цилиндра.Поступающий воздух приводит в движение турбину, соединенную с генератором. Вращающийся воздух выходит через открытый верх цилиндра, образуя вихрь, постоянно уносимый ветром. Этот тип машины был предложен Груманом.

Система преобразования энергии ветра — обзор

3.1 Введение

Системы преобразования энергии ветра (WECS) предназначены для преобразования энергии движения ветра в механическую энергию. В генераторах ветряных турбин эта механическая энергия преобразуется в электричество, а в ветряных мельницах эта энергия используется для выполнения такой работы, как перекачка воды, измельчения зерна или привода механизмов.Первыми ветряными машинами, вероятно, были ветряные мельницы с вертикальной осью, которые использовались для измельчения зерна в Персии, начиная с 200 г. до н.э. (рис. 3.1). У них было несколько рычагов, на которых были установлены паруса, причем паруса изначально были сделаны из связок тростника.

Рисунок 3.1. Персидская мельница.

В 10 веке ветряные мельницы с горизонтальной осью впервые появились в Средиземноморском регионе. Эти ветряные мельницы были закреплены на постоянной основе, чтобы противостоять преобладающим прибрежным ветрам. Несколько сотен лет спустя в Европе горизонтальные ветряные мельницы работали с ручным механизмом, который вращал всю мельницу против ветра.Они использовались для измельчения зерен и перекачивания воды.

С самых ранних письменных свидетельств энергия ветра использовалась для передвижения судов, измельчения зерна и перекачивания воды. Есть свидетельства того, что энергия ветра использовалась для передвижения лодок по реке Нил еще в 5000 году до нашей эры. За несколько веков до нашей эры в Китае использовались простые ветряные мельницы для перекачивания воды.

В Соединенных Штатах миллионы ветряных мельниц были построены по мере развития американского Запада в конце девятнадцатого века (рис.2). Большинство из них использовалось для перекачки воды на фермы и ранчо. К 1900 году были разработаны небольшие электрические ветряные системы для генерации постоянного тока, но большинство из них вышли из употребления, поскольку в 1930-х годах недорогая электросеть была распространена на сельские районы. К 1910 году генераторы ветряных турбин производили электроэнергию во многих европейских странах.

Рисунок 3.2. Американская ветряная мельница лифтового типа.

Вся возобновляемая энергия (кроме приливной и геотермальной энергии), и даже энергия ископаемого топлива, в конечном итоге исходит от Солнца, которое излучает на Землю 100000000000000 киловатт-часов (кВтч) энергии в час.Другими словами, Земля получает 10 ¹⁸ ватт (Вт) мощности. Примерно 1-2% энергии, поступающей от Солнца, преобразуется в энергию ветра. Это примерно в 50-100 раз больше, чем энергия, превращаемая в биомассу всеми растениями на Земле.

Пока Солнце нагревает Землю, всегда будут ветры, потому что разность температур стимулирует циркуляцию воздуха. Ветер дует, потому что скорость нагрева Земли различается, поэтому, поскольку скорость испарения воздуха в одной области отличается от другой, существует перепад давления (Рисунок 3.3). Это вызывает перетекание более высокого давления из одной области в другую. Спутниковый снимок, сделанный NOAA, показывает разные температуры в разных точках Земли: синий указывает на самые холодные, а красный — на самые теплые (рис. 3.4).

Рисунок 3.3. Прибрежный ветровой поток.

Рисунок 3.4. Интенсивность цвета показывает разницу в потеплении Земли.

Около мировых водоемов прохладный воздух над водой стекает на сушу. Ночью все меняется на противоположное, когда прохладный воздух над быстро остывшей землей течет в сторону воды, где воздух над сушей менее плотный, потому что вода дольше сохраняет солнечное тепло.

Энергия ветра — это коммерчески доступный возобновляемый источник энергии, при этом современные ветряные электростанции производят электроэнергию по цене около 0,05 доллара за кВтч. Однако даже при такой стоимости производства ветровая электроэнергия еще не является полностью конкурентоспособной по стоимости по сравнению с электроэнергией, произведенной из угля или природного газа, для большей части рынка.

Ветер — проверенный источник энергии; он не ограничен ресурсами в Соединенных Штатах, и нет непреодолимых технических ограничений. Существует множество методов, которые описывают текущие и исторические технологии, характеризуют существующие тенденции и описывают исследования и разработки, необходимые для снижения стоимости электроэнергии, вырабатываемой ветром, до полной конкурентоспособности с электроэнергией, произведенной на ископаемом топливе, для оптового рынка электроэнергии.Такие потенциальные рынки можно описать.

Ветры возникают из-за неравномерного нагрева поверхности Земли Солнцем. Один из способов охарактеризовать ветер — использовать семь классов в соответствии с удельной мощностью: класс 1 — самый низкий, а класс 7 — самый высокий (показано на рисунке 3.5). Плотность энергии ветра пропорциональна скорости ветра в третьей степени (куб скорости). Для коммунальных служб обычно требуется класс энергии 4 или выше.

Рисунок 3.5. Определения классов ветра и районы в США.

Ветры класса 4 имеют среднюю плотность мощности в диапазоне от 320 до 400 Вт / м ² , что соответствует умеренной скорости около 5,8 м / с (т. Е. 13 миль в час при измерении на высоте 10 м). По оценкам исследователей, в Соединенных Штатах имеется достаточный ветровой потенциал, чтобы заместить не менее 45 квадратов первичной энергии, ежегодно используемой для производства электроэнергии. Это основано на ветрах «класса 4» или выше и разумном использовании земли. Для справки: в 1993 году Соединенные Штаты использовали около 30 квадратов первичной энергии для производства электроэнергии.

Дания была первой страной, использовавшей ветряные турбины для выработки электроэнергии в 1890 году (рис. 3.6). Первый современный ветрогенератор в США был построен и введен в эксплуатацию в 1941 году в Ратленде, штат Вермонт; это называлось Дедушкина ручка. Турбина имела диаметр 55 м и была рассчитана на 1,25 МВт (мегаватт) при скорости 13,5 м / с. Он проработал 18 месяцев, пока не вышли из строя подшипники.

Рисунок 3.6. Ветряк голландского типа.

Крупномасштабные ветроэнергетические установки, подключенные к сетям, используемые для выработки электроэнергии, достигли огромных успехов за последние 15 лет.К концу 1996 г. в Соединенных Штатах было около 1750 МВт ветроэнергетических мощностей; для сравнения: в Европе, Индии и других странах используются более 4500 МВт мощности. Капитальные затраты, надежность и эффективность преобразования энергии выросли до такой степени, что эти системы возобновляемых источников энергии могут экономически конкурировать во многих обстоятельствах с традиционными технологиями генерации, такими как атомные и современные угольные электростанции.

Установленные капитальные затраты на ветроэнергетические системы снизились с более чем 2500 долларов США за киловатт (кВт) в начале 1980-х годов до 1000 долларов США за кВт или меньше для крупномасштабных установок в середине 1990-х годов.Затраты на внеплановое и профилактическое обслуживание также снизились за тот же период с более чем 0,05 доллара США до менее 0,01 доллара США за кВтч.

Эти усовершенствования позволили снизить уровень затрат на ветроэнергетические системы с более чем 0,15 доллара США до менее 0,05 доллара США за кВтч, не считая федеральной налоговой льготы в размере 0,02,1 доллара США за кВтч, доступной в настоящее время. Достижения в области проектирования и производства, дальнейший результат текущих программ исследований и разработок, а также реализация больших объемов производства обещают снизить эти затраты еще больше до диапазона $ 0.От 02,5 до 0,03,5 доллара за кВт · ч в течение следующих 10 лет.

Между тем, улучшения аэродинамики ротора и режимов работы турбины, наряду с увеличением размера турбины, повысили эффективность преобразования ветроэнергетических систем. При хороших ветровых условиях современные системы обычно достигают коэффициента мощности 28% или более.

Подробные знания о ветре необходимы для правильного понимания и оценки конструкции и экономики больших ветряных мельниц. Вообще говоря, места с самой высокой скоростью ветра находятся на открытых вершинах холмов, в море или на прибрежных участках.Из-за различий в местности характеристики ветра в этих местах могут сильно отличаться. Информация требуется в отношении различных параметров, как в общих чертах для каждого типа сайтов, так и в деталях для конкретных сайтов.