Турбина — это машина, которая преобразует кинетическую энергию вращающейся жидкости в полезную работу или энергию с помощью роторной системы. Механическая передача или электромагнитная индукция позволяют турбинам вырабатывать энергию таким образом. Существуют различные типы турбин, но наиболее распространенные из них классифицируются как ветряные турбины с горизонтальной и вертикальной осью. В этой статье вы узнаете все о ветряных турбинах с горизонтальной осью, их функциях, а также о типах ветряных турбин с горизонтальной осью.
Что такое ветряная турбина с горизонтальной осью?
Наиболее распространенным типом ветротурбин, используемых сегодня, являются ветротурбины с горизонтальной осью вращения (HAWT). HAWT имеют ротор с аэродинамическими лопастями (т.е. профилями крыла); этот ротор может быть направлен как против ветра, так и от него. Высотные ветротурбины обычно имеют две или три лопасти, вращающиеся с очень высокой скоростью. Конические лопасти на роторах, расположенных по направлению ветра, позволяют турбине самостоятельно ориентироваться по ветру, тогда как роторам, расположенным против ветра, необходимы стабилизаторы или хвостовые стабилизаторы, чтобы помочь им правильно повернуться. Однако было замечено, что роторы, расположенные по направлению ветра, могут отклоняться от курса при выравнивании по направлению ветра на низких скоростях, что приводит к снижению выработки энергии на этих скоростях.
HAWT имеют горизонтально установленные валы, которые перпендикулярны земле. HAWT, как и VAWT, могут иметь либо две, либо три лопасти. На сегодняшний день трехлопастной HAWT оказался наиболее эффективной конструкцией, однако двухлопастной ротор и ротор, обращенный к ветру, обе модели пользовались определенным успехом. Турбина гондолы может быть обращена как против ветра (спереди), так и по ветру (сзади). В устройствах с подветренной стороны нет необходимости в механической системе ориентации, поскольку они всегда направлены в сторону ветра. Постоянное качание от порывов ветра является самым большим недостатком, поскольку оно приводит к большей усталости. Теперь давайте узнаем о типах ветровых турбин с горизонтальной осью.
Какие типы ветровых турбин существуют с горизонтальной осью вращения?
Ветровые турбины с горизонтальной осью имеют действительно эффективную конструкцию и довольно известны на рынке. Как и другие ветровые турбины, существуют также типы ветровых турбин с горизонтальной осью. Типы следующие-
1. Ветровая турбина
Ротор ветряной турбины, работающей против ветра, установлен на вершине башни . Главная цель этой турбины — предотвратить отбрасывание ветром тени на заднюю сторону башни. Благодаря своей жесткости и смещению относительно башни, такая конфигурация в настоящее время используется в большинстве горизонтально-осевых ветряных турбин.
2. Турбина с подветренной стороны
Ротор ветровой турбины, работающей по направлению ветра, расположен у основания конструкции . Эта конкретная турбина направляет ветер сначала к башне, а затем на лопасти ротора. Из-за того, что ротор проходит через ветрозащитный экран башни, эта ветровая турбина испытывает некоторые колебания мощности ветра. В данном случае колебания мощности ветра вызваны положением ротора за гондолой башни. Это должно было помочь вам понять типы ветровых турбин с горизонтальной осью вращения.
Читайте также: 2 типа ветротурбин с вертикальной осью вращения
Каков принцип работы ветряной турбины с горизонтальной осью вращения?
После ознакомления с типами ветротурбин с горизонтальной осью вращения, давайте также рассмотрим принцип их работы. Энергия ветра преобразуется ротором в крутящий момент , который затем передается на медленно вращающийся вал. Гондола защищает редуктор, высокоскоростной вал и генератор, которые получают энергию от низкоскоростного вала. Лопасти прикреплены к ротору и валу. Этот вал называется низкоскоростным валом, потому что вращающийся узел вращается под действием ветра с небольшой скоростью, всего около 10-20 об/мин.
Для достижения желаемой выходной частоты 60 Гц низкоскоростной вал соединен с редуктором, который имеет систему шестерен, увеличивающую скорость вращения вала примерно до 1,800 об/мин (или до 1,500 об/мин, если частота составляет 50 Гц). Поэтому вал, выходящий из редуктора, часто называют высокоскоростным валом. Наконец, высокоскоростной вал соединен с генератором , который преобразует вращательное движение в переменный ток. Если эта скорость используется для непосредственного вращения генератора, частота переменного тока на выходе будет точно пропорциональна скорости вращения генератора.
Например, ветровые турбины с прямым приводом обычно используют генератор постоянного тока, а не переменного, и у них нет редуктора. Неясно, является ли преобразователь переменного тока в постоянный частью этих турбин (который может быть расположен у основания башни). В качестве контроллера в промышленных турбинах используется программируемый логический контроллер (ПЛК) или компьютер. Показания анемометра используются контроллером, который затем решает, в какую сторону должна быть направлена ветряная турбина, сколько энергии она должна собирать и следует ли позволять турбине ускоряться во время сильного ветра. Это принцип работы горизонтальной осевой ветряной турбины. После этого давайте рассмотрим компоненты горизонтальной осевой ветряной турбины.
Что такое компоненты ветряной турбины с горизонтальной осью?
Компоненты ветряной турбины с горизонтальной осью включают основание, башню, гондолу, генератор, лопасти ротора, ступицу, вал, редукторы и анемометры.
1. Основание: Башня и другие компоненты ветряной турбины весят значительное количество тонн; поэтому их необходимо надежно закрепить на прочном основании.
2. Башня: Высокая конструкция, удерживающая ступицу ротора и гондолу. Она может быть изготовлена из стальной решетки, бетона или стальных труб. Одним из ключевых аспектов конструкции ветротурбины с горизонтальной осью вращения является высота башни. Увеличение высоты башни позволяет турбинам поглощать больше энергии ветра и производить больше электроэнергии, поскольку скорость ветра увеличивается с высотой. Увеличение высоты ветроэнергетической системы обычно приводит к увеличению вырабатываемой энергии, а также уменьшает турбулентность ветра.
3. Лопасти ротора: Лопасти ветряных турбин улавливают кинетическую энергию ветра и преобразуют её в механическую. Эти лопасти изготавливаются из древесно-эпоксидной смолы или полиэстера , упрочненного стекловолокном. В зависимости от конструкции, ветряные турбины могут иметь одну лопасть, пару лопастей, три лопасти или больше. Трехлопастные горизонтально-осевые ветряные турбины являются нормой. Они крепятся к ступице ротора. В прошлом люди использовали идею нескольких лопастей для перекачки воды, измельчения пищи и выполнения других задач.
4. Гондола: Гондола — это корпус, в котором размещены основные компоненты турбины. Редуктор, высоко- и низкоскоростные валы, генератор, контроллер и тормоза установлены на самой вершине башни. Гондола оборудована анемометром для измерения скорости ветра и флюгером для определения направления ветра.
5. Ступица: Для соединения лопасти ротора с валом ветряной турбины необходима ступица ротора. Ступица, болты, подшипники лопастей, система изменения шага и внутренние детали составляют узел ступицы. В производстве ступиц роторов используются сталь, чугун и кованая сталь, а сварка имеет важное значение. Вот несколько примеров ступиц роторов:
6. Валы: Вал, передающий мощность на ведущие колеса, имеет крутящий момент, а уровни напряжений в его полой или сплошной стальной конструкции чрезвычайно высоки. Использование приводных валов позволяет передавать механическую энергию от ступицы лопасти к генератору, преобразуя вращательное движение в электрический ток. Как правило, ветряная турбина имеет два вала.
7. Редуктор: Выходной вал редуктора соединен с генератором для передачи вращательной механической энергии. В основе его работы лежит закон электромагнитной индукции Фарадея . Это устройство, которое производит электричество из механической энергии. Что касается ветротурбин, существует несколько различных типов редукторов: планетарная передача, косозубая передача и передача с червячными передачами для турбины.
8. Анемометры: Величина кинетической энергии ветра в значительной степени зависит от его скорости. Куб скорости ветра прямо пропорционален величине мощности ветра. При выборе места крайне важно учитывать среднюю скорость ветра в этом районе. Анемометр — это прибор, используемый для определения скорости воздушного потока. Обычно их располагают над гондолой ракеты.
См. также: Преимущества и недостатки приливной энергии
Для чего используются турбины с горизонтальной осью?
Для максимизации выходной мощности и энергоэффективности крупные ветровые электростанции часто используют ветровые турбины с горизонтальной осью вращения. Эти ветровые турбины обычно можно увидеть в
- Производственное оборудование
- Огромные ветровые электростанции
- Здания, спонсируемые правительством
Таким образом, вы узнали о назначении турбин с горизонтальной осью вращения. После этого вам, возможно, стоит изучить преимущества и недостатки ветротурбин с горизонтальной осью вращения.
Каковы преимущества и недостатки ветряных турбин с горизонтальной осью вращения?
Как и у других устройств, преимущества и недостатки горизонтальной осевой ветровой турбины также вполне очевидны. Давайте узнаем о них здесь подробнее.
Преимущества горизонтально-осевой ветровой турбины:
1. Могущественные поколения
В зависимости от области применения, ветротурбины с горизонтальной осью вращения могут иметь выходную мощность от 2 до 8 МВт. Наземная ветротурбина мощностью 2.5–3.0 МВт может генерировать около 6 миллионов кВт·ч в год, чего достаточно для обеспечения электроэнергией 1,500 типичных домов в ЕС. Это зависит от размера турбины и скорости ветра.
2. Достаточно надежный
Ветровые турбины с горизонтальной осью доминируют на рынке уже много лет, поэтому их проектирование и разработка находятся на продвинутом уровне. Исследуются как практичность и полезность ветровых турбин с горизонтальной осью, которые уже доступны на рынке, так и их потенциальное будущее развитие.
3. Исключительно сильные рабочие ветры
Ветротурбины с горизонтальной осью вращения получают ветер с более высокими скоростями благодаря высоте расположения роторов. Это означает, что они, вероятно, будут работать при более высоких скоростях ветра, что идеально подходит для их производительности. Воздушный поток на большой высоте обычно постоянен, что делает ветротурбины с горизонтальной осью вращения более надежным источником возобновляемой энергии.
4. Эффективность на очень высоком уровне
Преобразование энергии без потерь невозможно. Одно из главных направлений разработки новых продуктов в ветроэнергетическом секторе – повышение эффективности преобразования энергии. На данный момент наиболее производительными являются ветротурбины с горизонтальной осью вращения. Они достаточно эффективны, чтобы преобразовывать 40–50 процентов поступающей энергии ветра в полезную электроэнергию.
Читайте также: Преимущества и недостатки водородной энергетики
Недостатки ветряных турбин с горизонтальной осью вращения:
1. Сложно перемещать, устанавливать и поддерживать в рабочем состоянии.
Поскольку ветротурбины с горизонтальной осью вращения очень массивны , их транспортировка и установка сопряжены со значительными логистическими и техническими трудностями. Лопасти таких ветротурбин могут достигать 70 метров в длину и весить до 20 тонн, что делает их установку маловероятной на узких извилистых дорогах, характерных для холмистых регионов, или на обычных городских улицах, где вдоль них расположены жилые дома, линии электропередач и уличные фонари.
2. Нанесение вреда окружающей среде.
Вопрос о влиянии ветряных турбин с горизонтальной осью вращения на окружающую среду до сих пор вызывает множество споров и дискуссий . Рев огромных лопастей, рассекающих воздух, массивная тень, которую они отбрасывают, и разрушительное воздействие на окружающую фауну и экосистемы — все это вызывает серьезную озабоченность.
3. Изменения в морской экосистеме
Морские ветровые турбины, вероятно, изменят морскую экосистему способами, которые мы пока не понимаем, тогда как лопасти ветровых турбин с горизонтальной осью представляют собой риск столкновения с летающими существамиМногочисленные исследования показали, что ветряные турбины не несут прямой ответственности более чем за один процент ежегодных случаев гибели птиц в Соединенных Штатах, вызванных несчастными случаями с объектами и методами, созданными человеком.
4. Жесткие требования к настройке
Несмотря на то, что правительства по всему миру предоставляют стимулы для развития возобновляемой энергетики , нормативные требования к разработке и установке ветряных турбин могут стать препятствием . Например, для ветряной турбины с горизонтальной осью вращения требуется, чтобы расстояние от соседнего дома обычно составляло четыре раза больше общей высоты турбины. Городские власти должны провести исследование уровня шума, прежде чем разрешить строительство ветряной электростанции. Крайне важно учитывать как фоновый шум, так и шум, который будет создавать ветряная турбина. Хотя часто существует хорошее эмпирическое правило, политика может отличаться в зависимости от таких факторов, как политический климат, социальный климат и природные условия.
HAWT играют и будут играть большую роль в вашем будущем, основанном на возобновляемой энергии. Очень важно понимать все о таких технологиях, как преимущества и недостатки горизонтально-осевых ветровых турбин, типы горизонтально-осевых ветровых турбин и т. д. Они помогают вам быть готовыми к будущему, которое вот-вот наступит.
Рекомендуется: 5 основных преимуществ и недостатков гидроэнергетики
