Turbiini on kone, joka muuttaa pyörivän nesteen kineettisen energian hyödylliseksi työksi tai energiaksi roottorijärjestelmän kautta. Mekaaninen vaihteisto tai sähkömagneettinen induktio sallii turbiinien tuottaa tehoa tällä tavalla. Turbiineja on erilaisia, mutta yleisimmät luokitellaan vaaka- ja pystyakselisiksi tuuliturbiineiksi. Tässä artikkelissa opit kaiken vaaka-akselisten tuuliturbiinien toiminnoista ja myös vaaka-akselisten tuuliturbiinien tyypeistä.
Mikä on vaaka-akselinen tuuliturbiini?
Yleisin käytössä oleva tuuliturbiinityyppi on nykyään vaaka-akselinen tuuliturbiini eli HAWT. HAWT-turbiineissa on roottori, johon on kiinnitetty aerodynaamiset lavat (eli siipiprofiilit); tämä roottori voi olla joko tuuleen tai tuulesta poispäin. Korkean ilmanalan tuuliturbiineissa on tyypillisesti kaksi tai kolme lapaa, jotka pyörivät erittäin nopeasti. Myötätuulen roottoreiden kartiomaiset lavat mahdollistavat turbiinin itsensä suuntautumisen tuuleen, mutta vastatuulen roottorit tarvitsevat suuntaus- tai peräsiiven, jotta ne pystyvät suuntautumaan oikeaan suuntaan. Myötätuulen roottorien on kuitenkin havaittu vaeltavan, kun ne suuntautuvat tuulen suuntaan pienillä nopeuksilla, mikä johtaa pienempään energiantuotantoon näillä nopeuksilla.
HAWT:issa on vaakasuoraan asennetut akselit, jotka ovat kohtisuorassa maahan. HAWT:issa, kuten VAWT:issa, voi olla joko kaksi tai kolme terää. Tähän mennessä kolmilapainen HAWT on osoittautunut tehokkaimmaksi malliksi, mutta kaksilapainen roottori ja tuulimalleihin päin oleva roottori ovat molemmat nauttineet jonkin verran menestyksestä. Nacellin turbiini voi olla joko vastatuuleen (edessä) tai myötätuuleen (taka). Myötätuulilaitteisiin ei tarvita mekaanista suuntausjärjestelmää, koska ne osoittavat aina tuulen suuntaan. Jatkuva tuulenpuuskien aiheuttama keinuminen on suurin haitta, koska se lisää väsymystä. Opitaan nyt vaaka-akselin tuuliturbiinityypeistä.
Mitkä ovat vaaka-akseliset tuuliturbiinityypit?
Vaakaakselisilla tuulivoimaloilla on todella tehokas muotoilu ja ne ovat melko kuuluisia markkinoilla. Muiden tuuliturbiinien tapaan on olemassa myös vaaka-akselisia tuuliturbiinityyppejä. Tyypit ovat seuraavat -
1. Tuuleturbiini
Tuuliturbiinin roottori on asennettu tornin huipulle . Tämän turbiinin ensisijainen tarkoitus on estää tuulta heittämästä varjoa tornin takapuolelle. Koska se on jäykkä ja sijoitettu taaksepäin tornista, tätä kokoonpanoa käytetään tällä hetkellä useimmissa HAWT-turbiineissa.
2. Myötätuulen turbiini
Myötätuuliturbiinin roottori on sijoitettu rakenteen pohjaan . Tämä turbiini ohjaa tuulen ensin tornia kohti ja sitten roottorin lapoihin. Koska roottori kulkee tornin tuulisuojan läpi, tämän tuuliturbiinin tuulivoimassa on jonkin verran vaihteluita. Tässä tuulivoiman vaihtelut johtuvat roottorin sijainnista tornin konehuoneen takana. Tämän olisi pitänyt auttaa sinua ymmärtämään vaaka-akselisten tuuliturbiinien tyyppejä.
Lue myös: 2 pystyakselisen tuuliturbiinin tyyppiä
Mikä on vaaka-akselin tuuliturbiinin toimintaperiaate?
Kun olemme ymmärtäneet vaaka-akselisten tuuliturbiinien tyypit, tutustutaan myös vaaka-akselisten tuuliturbiinien toimintaperiaatteeseen. Roottori muuntaa tuulivoiman vääntömomentiksi , joka sitten välittyy hitaasti pyörivälle akselille. Konehuone suojaa vaihteistoa, suurnopeusakselia ja generaattoria, jotka vastaanottavat tehon hidaskäyntiseltä akselilta. Siivet on kiinnitetty roottoriin ja akseliin. Tätä akselia kutsutaan hidaskäyntiseksi akseliksi, koska tuuli pyörittää pyörivää kokoonpanoa rauhallisesti vain noin 10-20 rpm:n nopeudella.
Halutun 60 Hz:n lähtötaajuuden saavuttamiseksi hidaskäyntinen akseli on kytketty vaihteistoon, jossa on hammaspyörästö, joka nostaa akselin lähtönopeuden noin 1 800 rpm:iin (tai 1 500 rpm:iin, jos taajuus on 50 Hz). Tästä syystä vaihteistosta ulos tulevaa akselia kutsutaan usein suurnopeusakseliksi. Lopuksi suurnopeusakseli on kytketty generaattoriin , joka muuntaa pyörimisliikkeen vaihtovirraksi. Jos tätä nopeutta käytetään generaattorin suoraan pyörittämiseen, vaihtovirran taajuus on täsmälleen verrannollinen generaattorin pyörimisnopeuteen.
Esimerkiksi suoravetoiset tuuliturbiinit käyttävät tyypillisesti DC-generaattoria AC-generaattorin sijaan, ja niistä puuttuu vaihdelaatikko. On epäselvää, onko AC-DC-muunnin osa näitä (joka voi sijaita tornin pohjassa). Teollisuusturbiineissa ohjaimena käytetään ohjelmoitavaa logiikkaohjainta (PLC) tai tietokonetta. Tuulimittarin lukemia käyttää säädin, joka sitten päättää, mihin suuntaan tuuliturbiinin tulee olla, kuinka paljon energiaa sen tulee kerätä ja annetaanko turbiinin kiihtyä voimakkaiden tuulien aikana. Tämä on vaaka-akselin tuuliturbiinin toimintaperiaate. Tämän jälkeen tutkitaan vaaka-akselisten tuuliturbiinien komponentteja.
Mitä ovat vaakatasoisen akselin tuuliturbiinin komponentit?
Vaaka-akselin tuuliturbiinin komponentit sisältävät alustan, tornin, konepellin, generaattorin, roottorin lavat, napan, akselin, vaihteistot ja tuulimittarit.
1. Jalusta: Tuuliturbiinin torni ja muut komponentit painavat merkittäviä määriä tonneja, joten ne on kiinnitettävä tukevasti kallionkielekkeiseen jalustaan.
2. Torni: Korkea rakennelma, joka pitää roottorin navan ja konehuoneen paikoillaan. Nämä voidaan valmistaa teräsristikosta, betonista tai putkiteräksestä. Yksi vaakasuoran akselin tuuliturbiinin suunnittelun keskeisistä näkökohdista on tornin korkeus. Tornin korkeuden kasvattaminen antaa turbiineille mahdollisuuden absorboida enemmän tuulienergiaa ja tuottaa enemmän sähköä, koska tuulen nopeus kasvaa korkeuden kasvaessa. Tuulivoimalaitoksen korkeuden kasvattaminen johtaa yleensä suurempaan tuotetun tehon määrään ja vähentää myös tuulen turbulenssia.
3. Roottorin lavat: Tuuliturbiinin lavat keräävät tuulen kineettisen energian ja muuntavat sen mekaaniseksi energiaksi. Nämä partakoneet on valmistettu puu-epoksista tai polyesteristä , joka on vahvistettu lasikuidulla. Rakenteesta riippuen tuuliturbiineissa voi olla yksi lapa, kaksi lapaa, kolme lapaa tai enemmän. Kolmiteräiset HAWT-parranajokoneet ovat normi. Nämä on kiinnitetty roottorin napaan. Aikaisemmin ihmiset käyttivät useiden terien ideaa veden pumppaamiseen, ruoan jauhamiseen ja muihin tehtäviin.
4. Konehuone: Konehuone on turbiinin keskeisten komponenttien kotelo. Vaihteisto, nopeat ja hitaat akselit, generaattori, ohjain ja jarrut on kaikki asennettu tornin huipulle. Konehuoneessa on tuulimittari tuulen nopeuden mittaamiseksi ja tuuliviiri tuulen suunnan havaitsemiseksi.
5. Napa: Roottorin lavan liittäminen tuuliturbiinin akseliin vaatii roottorin navan. Napa, pultit, lavan laakerit, nousujärjestelmä ja sisäosat muodostavat navan kokoonpanon. Roottorin napojen valmistuksessa käytetään terästä, rautaa ja taottua terästä , ja hitsausprosessi on olennainen. Tässä on joitakin esimerkkejä roottorin navoista:
6. Akselit: Akseleilla, jotka välittävät voiman vetopyörille, onton tai kiinteän teräsrakenteen vääntömomentti ja jännitys ovat erittäin korkeat. Vetoakseleiden avulla mekaaninen energia lavan navasta voidaan lähettää generaattoriin, jolloin se voi muuntaa pyörivän liikkeen sähkövirraksi. Tuuliturbiinissa on tyypillisesti kaksi akselia.
7. Vaihteistot: Vaihteiston ulostuloakseli on kytketty generaattoriin pyörivän mekaanisen energian siirtämiseksi. Faradayn sähkömagneettisen induktion laki on sen toiminnan perusperiaate. Se on laite, joka tuottaa sähköä mekaanisesta energiasta. Tuuliturbiinien osalta on olemassa muutamia erityyppisiä vaihteistoja: planeettavaihteisto, kierrevaihteisto ja matovaihteilla varustettu vaihteisto turbiinille.
8. Tuulimittarit: Tuulen liike-energian suuruus riippuu suurelta osin sen nopeudesta. Tuulen nopeuden kuutio on suorassa suhteessa tuulen tehoon. Paikkaa valittaessa on tärkeää ottaa huomioon alueen keskimääräinen tuulen nopeus. Tuulimittari on työkalu, jota käytetään tuulen virtauksen nopeuden määrittämiseen. Tyypillisesti nämä sijaitsevat konehuoneen yläpuolella.
Katso myös: Vuorovesienergian edut ja haitat
Mihin vaaka-akselisia turbiineja käytetään?
Tehon ja energiatehokkuuden maksimoimiseksi suuret tuulivoimalat käyttävät usein vaaka-akselisia tuuliturbiineja. Nämä tuuliturbiinit ovat tyypillisesti nähtävissä
- Tuotantorakennukset
- Laajat tuulipuistot
- Valtion tukemat rakennukset
Tämän avulla olet oppinut, mihin vaaka-akselisia turbiineja käytetään. Tämän jälkeen voit yhtä hyvin oppia vaaka-akselisten tuuliturbiinien eduista ja haitoista.
Mitkä ovat vaaka-akselin tuuliturbiinin edut ja haitat?
Kuten muutkin laitteet, vaaka-akselisten tuuliturbiinien edut ja haitat ovat myös melko ilmeisiä. Tutustutaanpa heihin perusteellisesti täällä.
Vaaka-akselin tuuliturbiinin edut
1. Voimakkaat sukupolvet
Sovelluksesta riippuen vaakasuoran akselin tuuliturbiineja voidaan rakentaa teholtaan 2 MW:sta 8 MW:iin. Maalla sijaitseva 2.5–3.0 MW: n tuuliturbiini voi tuottaa vuosittain noin 6 miljoonaa kWh, mikä riittää 1 500 tyypillisen EU:n kotitalouden tarpeisiin. Tämä riippuu turbiinin koosta ja tuulen nopeudesta.
2. Riittävän luotettava
Vaakaakseliset tuuliturbiinit ovat hallinneet markkinoita useiden vuosien ajan, joten niiden suunnittelu ja kehitys ovat pitkällä. Markkinoilla jo olevien vaakaakselisten tuuliturbiinien käytännöllisyyttä ja hyödyllisyyttä selvitetään sekä niiden mahdollista tulevaa kehitystä.
3. Poikkeuksellisen voimakkaat operatiiviset tuulet
Vaaka-akseliset tuuliturbiinit saavat tuulen suuremmalla nopeudella roottorien korkeuden vuoksi. Tämä tarkoittaa, että ne todennäköisesti toimivat suuremmilla tuulen nopeuksilla, mikä on ihanteellista niiden suorituskyvyn kannalta. Korkealla sijaitsevan ilman virtaus on yleensä tasaista, mikä tekee vaaka-akselisista tuuliturbiineista luotettavamman uusiutuvan energian lähteen.
4. Tehokkuus erittäin korkealla tasolla
Energiaa on mahdotonta muuntaa ilman, että osa siitä menee hukkaan. Tuulienergia-alan uusien tuotteiden kehityksen keskeinen painopiste on energianmuunnoksen tehokkuuden lisääminen. Tällä hetkellä tuottavimmat tuuliturbiinit ovat vaakasuorassa olevalla akselilla varustettuja. Ne ovat riittävän tehokkaita muuttamaan 40–50 prosenttia tulevasta tuulivoimasta käyttökelpoiseksi sähköksi.
Lue myös: Vetyenergian edut ja haitat
Vaaka-akselin tuuliturbiinin haitat -
1. Vaikea siirtää, pystyttää ja pitää toimintakunnossa
Koska vaakasuorat tuuliturbiinit ovat niin massiivisia , ne aiheuttavat merkittäviä logistisia ja teknisiä esteitä kuljetuksen ja asennuksen aikana. Vaakasuorat tuuliturbiinit voivat olla jopa 70 metriä pitkiä ja jopa 20 tonnia painavia, minkä vuoksi on epätodennäköistä, että niitä voitaisiin asentaa mäkisille alueille tyypillisille kapeille ja mutkitteleville teille tai tavallisille kaupunkikaduille, joiden varrella on asuintaloja, sähkölinjoja ja katuvaloja.
2. Vahingoittaa ympäristöä
Vaakasuoran akselin tuuliturbiinien vaikutuksesta ympäröivään ympäristöön käydään edelleen paljon keskustelua ja kiistoja . Massiivisien lapojen jylinä niiden viillessä ilmassa, niiden heittämä valtava varjo ja niiden aiheuttamat häiriöt ympäröivälle eläimistölle ja ekosysteemeille ovat kaikki huolenaiheita.
3. Meriekosysteemin muutos
Offshore-tuuliturbiinit muuttavat todennäköisesti meren ekosysteemiä tavoilla, joita emme vielä ymmärrä, kun taas vaaka-akseliset tuuliturbiinien siivet edustavat törmäysvaara lentävien olentojen kanssa. Useat tutkimukset ovat osoittaneet, että tuuliturbiinit eivät ole suoraan vastuussa yli prosentista vuosittaisista lintukuolemista Yhdysvalloissa, jotka johtuvat ihmisen tekemien esineiden ja käytäntöjen aiheuttamista onnettomuuksista.
4. Asennuksen tiukat vaatimukset
Tuuliturbiinien kehittämistä ja asennusta koskevat määräykset saattavat olla esteitä, vaikka hallitukset ympäri maailmaa ovat tarjonneet kannustimia uusiutuvan energian vallankumouksen aloittamiseen. Esimerkiksi vaakasuoran akselin tuuliturbiinin vaadittu etäisyys viereisestä kodista on tyypillisesti neljä kertaa turbiinin koko korkeus. Kaupungin on tehtävä melututkimus ennen kuin se sallii tuulipuiston rakentamisen sinne. Sekä taustamelun että tuuliturbiinin tuottaman melun huomioon ottaminen on olennaista. Vaikka usein on olemassa hyvä nyrkkisääntö, käytäntö voi silti vaihdella riippuen tekijöistä, kuten poliittisesta ilmapiiristä, sosiaalisesta ilmapiiristä ja luonnon ilmastosta.
HAWT:t pelaavat ja tulevat olemaan tärkeässä roolissa uusiutuvaan energiaan perustuvassa tulevaisuudessasi. On erittäin tärkeää ymmärtää kaikki asiat sellaisista teknologioista, kuten vaaka-akselisten tuuliturbiinien edut ja haitat, vaaka-akseliset tuuliturbiinityypit jne. Ne auttavat sinua olemaan valmiita tulevaan tulevaisuuteen.
Suositus: 5 vesivoiman tärkeintä etua ja haittaa
