Еще за 3 000 лет до рождества Христова люди использовали энергию ветра. В этот статье (или статьях) рассмотрим, как же работает сия энергия, и как ее можно поставить на службу человечеству.
Порой очень сложно вообразить воздух как нечто текучее. Он столь … невидимый. Но воздух тем не менее текуч также как и другие среды, за исключение того, что он находится в газообразной форме, нежели в форме жидкости. И когда воздух движется быстро (ветер дует), его частицы тоже движутся достаточно быстро. А движение означает наличие кинетической энергии, которую можно уловить, также как энергия движущейся воды преобразуется в электрическую на гидроэлектростанциях.
Для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую были придуманы специальные агрегаты - ветровые турбины (ветряки), лопасти которых специально спроектированы для улавливания кинетической энергии ветра. Устройство их аналогично гидротурбинам: когда ветер вращает лопасти, кинетическая энергия преобразуется в энергию вращения ротора, который соединяет лопасти с генератором. Генератор в свою очередь преобразует энергию вращения в электрическую. В сущности, получение электроэнергии из ветра состоит в ее преобразовании из одного вида в другой.
Энергия ветра как ни странно появляется благодаря Солнцу. Когда Солнце нагревает область земли, воздух в этой области получает некоторую часть тепловой энергии. При достижении определенной температуры теплый воздух начинает подниматься вверх, т.к. при одинаковом объеме теплый воздух легче холодного (благодаря этому летают воздушные шары). Более быстрые (“нагретые”) частицы воздуха создают большее давление, чем более медленные холодного, поэтому их требуется меньше для поддержания нормального давления воздуха на данной высоте. Когда теплый воздух поднимается вверх, холодный воздух стремится заполнить образовавшееся пространство. Движущийся для заполнения пространства воздух и есть ветер.
Если вы на пути ветра разместите объект в виде лопастей винта, то ветер будет давить на них, передавая часть своей энергии во вращение лопастей. Таким образом, ветряная турбина преобразует энергию ветра. Такой же принцип позволяет парусной лодке плыть. Когда ветер давит на парус, лодка на которой он закреплен плывет. В этом случае энергия ветра преобразуется в энергию движения лодки.
Немного истории
В далеком уже 3 000 году до нашей эры в древнем Египте люди начали использовать энергию ветра на парусниках. Парус позволял лодке плыть при наличии ветра. Первые ветряные мельницы для помола зерна появились за 2 000 лет до нашей эры в древнем Вавилоне или за 200 лет до н.э. в древней Персии, данные зависят от разных источников и точно не известны. Эти первые устройства состояли из одного или нескольких вертикальных валов, на нижней части которых размещались жернова, соединенные с вращающимся валом, который приводился в действие ветром. Идея использовать ветер для помола быстро распространилась по всему Среднему Востоку задолго до того, как ветряные мельницы появились в Европе. Начиная с 11 века Европейские Крестоносцы принесли эту идею домой, и только тогда появился тип мельниц, привычных нам теперь.
Современное развитие технологий получения электричества из ветра началось с 1930-х годов, когда примерно 600 000 ветряных мельниц снабжали сельские районы электричеством и водопроводом. Когда широкое распространение электросетей дошло до ферм и деревень, использование энергии ветра сократилось, однако про нее снова вспоминили (особенно в Соединенных Штатах) во время нефтяного кризиса в начале 1970-х. В середине 1980-х годов ветряные турбины имели максимальную мощность около 150 кВт. Однако, уже в 2006 году, коммерческие турбины могли выдавать мощность более 1 МВт, а сейчас существуют экземпляры с мощностью до 4 МВт.
Самый простой ветряк состоит из трех важных частей:
- Ротор и лопасти - лопасти играют роль паруса в системе; в самой простой форме они играют роль барьера для ветра (более современные лопасти выходят за рамки барьерного метода). Когда под действием ветра лопасти раскручиваются, они передают часть энергии ветра ротору.
- Вал - вал ветряной турбины с одной стороны закреплен в центре ротора. Когда ротор вращается, вращается и вал, поэтому ротор передает его механическую энергию вращательного движения валу, который в свою очередь передает ее генератору, закрепленногому на другом его конце.
- Генератор - в самом простом случае, генератор - это очень простое устройство. Он использует явление электромагнитной индукции для создания напряжения (разности потенциалов). Напряжение можно считать электрическим давлением - эта сила которая заставляет электроны двигаться и создавать электрический ток. Напряжение и ток создаются в генераторе одновременно. Простой генератор состоит из магнитов и проводника. Проводником как правило является провод скрученный в катушку. Внутри генератора вал присоединен к сборке постоянных магнитов, которые расположены вокруг катушки. Если у вас есть проводник, окруженный магнитами, и одна из этих частей вращается относительно другой, возникает явление электромагнитной индукции, что в свою очередь наводит разность потенциалов в проводнике. Когда лопасти и ротор вращают вал, вал вращает сборку магнитов, которые наводят разность потенциалов в катушке. Благодаря этой разности потенциалов возникает переменный электрический ток, который затем передается по проводам потребителям.
Теперь вы знаете, как устроена простейщая турбина. Теперь давайте рассмотрим более современные технологии, которые можно увидеть ныне. Теперь это более сложные системы, но основные принципы остались те же.
Современная технология
Когда речь заходит о современных ветряных турбинах, то надо иметь ввиду, что их существует два вида: с горизонтальной и вертикальной ориентацией. Ветряные турбины с вертикальной ориентацией (VAWTs) на данный момент достаточно редки. В коммерческой эксплуатации на данный момент существует только одна модель - турбина Дарье, которая выглядит как миксер для взбивания яиц.
В вертикальных турбинах вал размещен вертикально, перпендикулярно земле. Такие турбины рады любому направлению ветра, в отличии от своих горизонтальных собратьев, поэтому дополнительной настройки при изменении направления ветра не требуется. Однако, вертикальные турбины не могут начать двигаться самостоятельно, для этого им требуется стартовое усилие от электроустановки. В отличии от башен для горизонтальных моделей, такие турбины используют растяжки для, поэтому ротор находится на малой высоте. Более низкая высота обычно означает более слабый ветер, поэтому вертикальные турбины менее эффективны, чем горизонтальные. С другой стороны, все оборудование находится на уровне земли, поэтому его леко устанавливать и обслуживать, в то же время, такие турбины требуют больших территорий.
Вертикальные турбины могут быть использованы в качестве маленьких турбин или для насосных станций в сельскохозяйственных областях, однако в коммерческом производстве электроэнергии востребованы больше турбины с горизонтальным расположением вала (HAWTs).
Как следует из названия, в горизонтальных турбинах вал расположен горизонтально, параллельно земле. Такие турбины требуют постоянного перенаправления на преобладающее направление ветра, для этого используются специальные механизмы горизонтального поворота. Такие механизмы обычно состоят из двигателей и коробок передач, которые поворачивают всю конструкцию влево или вправо на небольшие углы за раз. Контроллер турбины считывает показания направления ветра с датчиков (которые могут быть как механическими, так и электрическими) и подстраивают направление ротора для более эффективной работы. Горизонтальные турбины устанавливаются на специальных башнях, которые поднимают компоненты устройства на необходимую для эффективной работы высоту (где ветер сильнее). Таким образом на земле остается лишь основание башни, такая турбина занимает меньше места, так как почти все компоненты находятся на выосте порядка 80 метров.
Компоненты большой турбины с горизонтальное ориентацией:
- Ротор и лопасти - преобразуют энергию ветра в энергию вращательного движения вала
- Вал - передает вращательную энергию генератору
- Гондола - кожух в котором находится коробка передач (увеличивает скорость вала между ротором и генератором), генератор (использует энергию вращения для генерации электричества при помощи электромагнетизма), электронный блок управления (мониторит систему, выключает турбину при обнаружении поломок и управляет поворотным механизмом), поворотный механизм (поворачивает ротор к правильному направлению ветра) и тормоза (останавливают вращение лопастей при очень сильном ветре или системном сбое).
- Башня - на ней укреплены ротор и гондола на требуемой высоте, где лопасти не будут мешать земле.
- Электрическое оборудование - передает электроэнергию с генератора в гондоле вниз башни и управляет многими функциями безопасной работы
В отличии от старых немецких ветряных мельниц, конструкция которых в основном опиралась на силу ветра приводившую в движение лопасти, современные ветряки используют более сложные аэродинамические принципы для более эффективного преобразования энергии ветра в электрическую. Нас интересуют две основные силы - подъемная сила, которая действует перпендикулярно направлению ветра и сила тяги, которая действует параллельно направлению ветра.
Форма лопастей ветряка имеет много общего с формой крыльев самолета - они используют аэродинамический профиль. В таком профиле, одна поверхность лопасти скруглена, в то время как другая относительно плоская. Подъемная сила сама по себе довольно сложное явление, и фактически, нужно иметь университетское образование, чтобы полностью в ней разобраться. Но здесь мы ограничимся простым объяснением. Когда потоки воздуха проходят через закругленную сторону, они должны двигаться быстрее, чтобы достичь другого края лопасти в одно и то же время, что и потоки, проходящие через плоскую сторону. Поэтому с закругленной стороны возникает разрежение воздуха. Таким образом, наличие области с более низким давлением побуждает лопасть двигаться в ее сторону, тем самый мы можем наблюдать явление подъемной силы. С плоской стороны ветер движется медленнее и поэтому давление с этой стороны повышается. Также как и при конструировании крыльев для самолетов, высокий коэффициент отношения подъемной силы к силе тяги крайне важен при конструировании хорошей ветряной турбины. Лопасти турбины поворачиваются, поэтому они всегда могут использовать хорошее отношение подъемной силы к силе тяги.
Однако, на хорошую конструкцию ветряка играет не только аэродинамика. Имеет значение также и размер - чем длиннее лопасти турбины (а соответственно тем больше диаметр ротора), тем больше энергии такой ветряк может преобразовать из энергии ветра и тем больше мощность электростанции. Вообще, удвоение диаметра ротора дает выирышь в электрогенерации в четыре раза. В то же время, в некоторых случаях где небольшая скорость ветра, роторы с маленьким диаметром могут произвести больше электроэнергии ввиду того, что им для установки требуется меньше места, требуется меньше энергии для раскручивания генератора, поэтому такая турбина может работать в рабочем режиме практически все время.
Кроме всего прочего имеет значение и высота башни. Чем выше турбина, тем больше энергии она сможет преобразовать, потому что скорость ветра увеличивается при увеличении высоты, внизу из-за трения о землю и окружающие предметы скорость ветра падает. По расчетам ученых удвоение высоты дает 12% прироста генерации.
Продолжение следует …