Как ветряные турбины производят энергию?

Мы все знаем, что миру нужно больше  компаний, работающих в сфере возобновляемой энергии  . Как бы вы ни относились к изменению климата, приходится признать, что ископаемое топливо — ограниченный ресурс, который рано или поздно иссякнет. Если мы хотим жить в комфортной жизни, основанной на электричестве, нам нужно найти альтернативные источники энергии.

К числу возобновляемых источников энергии, которые мы можем использовать, относятся солнечная, ветровая, биомассовая и геотермальная, и хотя ни одна технология в отдельности не станет решением, их объединение поможет проложить путь вперед.

Многие люди обнаружили, что переход от традиционных энергетических планов с использованием ископаемого топлива к  планам с неограниченным использованием возобновляемых источников энергии  позволяет мгновенно получить доступ к чистой энергии без крупных инвестиций в такие вещи, как солнечные панели.

Ещё один источник чистой энергии, популярность которого уже растёт по всему миру, — это ветряные турбины. Это огромные сооружения, стратегически размещаемые в местах с постоянным ветром, чтобы обеспечить им максимальную выработку энергии.

Но как на самом деле работают ветряные турбины?

Как производится энергия ветра?

Энергия ветра  вырабатывается, когда мы используем силу атмосферного воздуха для производства электричества. Ветряные турбины делают это, улавливая кинетическую энергию ветра (то есть энергию движения).

В настоящее время существует три различных типа ветроэнергетики: ветроэнергетика промышленного масштаба, распределенная (малая) ветроэнергетика и морская ветроэнергетика.

• Ветроэнергетика промышленного масштаба  включает турбины всех размеров, которые передают электроэнергию в сеть и используются коммунальными предприятиями.
• Морская ветроэнергетика  — это именно то, о чем говорится в ее названии: это огромные ветровые турбины, которые строятся в море и вырабатывают наибольшее количество электроэнергии.

Конечно, не вся электроэнергия, поступающая в энергосистему, поступает из экологически чистых источников, таких как ветер и солнце. Большая её часть по-прежнему вырабатывается путём сжигания топлива. Даже возобновляемые виды топлива не выделяют вредных газов, поэтому нам необходимо осознавать, откуда поступает наша энергия.

Возможно, вы не знали об этом, но во многих штатах вы можете выбирать, откуда получать энергию. Мы даем нашим клиентам возможность выбирать энергию из экологически чистых источников, а не из вредных. Наши клиенты выбирают чистую энергию и подходящий им тарифный план, чтобы получать стабильный ежемесячный счет и быть уверенными в том, что они помогают миру стать зеленее.

Как работают ветряные турбины?

Ветряные турбины сравнительно легко понять, и зачастую их легче понять, если представить их в виде исторической ветряной мельницы, которая использовала энергию ветра для помола зерна.

Когда ветер обдувает лопасти ветряной турбины, он улавливает эту силу (это называется захватом кинетической энергии), и турбина начинает вращаться. Эта энергия теперь считается механической. Как и в ветряной мельнице, она вращает внутренний вал. В отличие от традиционной ветряной мельницы, валы ветряных турбин соединены с редуктором, который позволяет значительно увеличить скорость — обычно в 100 раз.

Это вращение подключено к генератору, который вырабатывает электроэнергию. Это всё, что вам нужно знать, но если вам интересны технические термины, то эти же элементы называются мачтой, гондолой и ротором. Мачта поддерживает ротор и гондолу, а гондола содержит механические части. Мачты, или башни, полые и изготовлены преимущественно из стали. Лопасти изготовлены из стекловолокна, армированного полиэфирным волокном, эпоксидной смолы, армированной стекловолокном, или эпоксидной смолы, армированной углеродным волокном, что делает их невероятно прочными, но при этом достаточно лёгкими, чтобы вращаться при относительно слабом ветре.

Лопасти ветряной турбины во многом похожи на крылья самолёта: ветер заставляет трёхлопастную турбину вращаться, поскольку подъёмная сила превышает силу сопротивления. Лопасти трёхлопастные, как правило, используются для достижения оптимального соотношения скорости вращения и механической надёжности.

Ротор соединён с генератором через ряд шестерён, благодаря чему частота вращения увеличивается примерно в 100 раз. Это позволяет генератору вырабатывать электроэнергию, не будучи слишком громоздким и дорогим. Компьютеры управляют шагом и направлением лопастей для достижения максимальной мощности.

Мощность большинства современных наземных ветряных турбин составляет 2,5–3 МВт (мегаватт), а длина лопастей — около 50 м, что примерно равно половине длины футбольного поля. Всего 30 лет назад длина лопастей составляла всего 15 м!

Ветряные турбины вырабатывают переменный или постоянный ток?

Электрогенераторы вырабатывают переменный ток. Некоторые турбины оснащены преобразователем, который преобразует переменный ток в постоянный и обратно, чтобы вырабатываемая электроэнергия соответствовала частоте и фазе сети, к которой она подключена. Разница между этими токами заключается в том, что в переменном токе электроны постоянно меняют направление, в то время как в постоянном токе они всегда движутся только в одном направлении.

Какие существуют типы ветряных турбин?

Безусловно, самым распространённым типом ветрогенератора является ветрогенератор с горизонтальной осью вращения (HAWT). Именно он стал обычным явлением, как в виде отдельных установок и небольших групп, так и в виде большого количества установок на  ветроэлектростанциях . Они напоминают пропеллер самолёта на башне.

Вертикально-осевые турбины, с другой стороны, описывались как похожие на венчики для взбивания яиц. Вертикально-осевые турбины обычно имеют две лопасти, прикреплённые сверху и снизу вертикального ротора. Они могут быть довольно большими, но вышли из моды, поскольку менее эффективны, чем горизонтально-осевые турбины.

Есть несколько других, которые были отклонены как некачественные или всё ещё находятся на стадии прототипа, включая ветряную турбину Airborne Wind Turbine, разрабатываемую Altaeros Energies. Эта ветряная турбина немного напоминает нечто среднее между воздушным шаром и ветряной турбиной и, теоретически, была бы гораздо более привлекательным вариантом, поскольку не портила бы ландшафт. Только время покажет, являются ли какие-либо из них жизнеспособной альтернативой ветряным турбинам HAWT, которые сейчас используются во всём мире. Как ветряные турбины производят энергию?

Ветрогенератор предназначен для преобразования кинетической энергии ветра в электричество. Лопастной ротор соединён с генератором через ряд зубчатых передач, что увеличивает частоту вращения примерно в 100 раз. Это позволяет генератору вырабатывать электроэнергию, не будучи слишком громоздким и дорогим. Электроэнергия, вырабатываемая ветровым генератором, обычно передаётся в электросеть.

Какой тип ветряных турбин наиболее эффективен?

По состоянию на 2020 год лидером по эффективности среди ветрогенераторов является крупная трёхлопастная конструкция с горизонтальной осью вращения, благодаря чему их было установлено более 300 000. Аэродинамические лопасти генерируют больше электроэнергии, чем любые другие конструкции, как за счёт создаваемой подъёмной силы, которая вращает лопасти быстрее, так и за счёт того, что каждая лопасть движется в «чистом» воздухе.

Кроме того, поскольку компьютеры управляют ориентацией лопастей, они всегда работают на оптимальном уровне. Вертикальные и горизонтальные конструкции не могут конкурировать.

Другим преимуществом трёхлопастных ветрогенераторов (HAWT) является их отличная масштабируемость, гораздо более высокая, чем у альтернативных вариантов. Крупные турбины вырабатывают столь же большое количество электроэнергии, что крайне важно для промышленных предприятий.   Подробнее об этом читайте в нашей статье, посвящённой преимуществам ветроэнергетики .

Сколько энергии производит ветряная турбина?

Современная ветряная турбина начинает вырабатывать электроэнергию, когда скорость ветра достигает 6–9 миль в час (6–9 миль в час), и должна отключаться, если скорость превышает 55 миль в час (88,5 км/ч), когда её механизму грозит повреждение. Таким образом, хотя они могут вырабатывать электроэнергию большую часть времени, бывают периоды, когда их приходится отключать.

Также наблюдается снижение производительности, вызванное неизбежной неэффективностью механизма: большинство ветряных турбин работают с эффективностью около 30–40 %, хотя при идеальных ветровых условиях она может достигать 50 %.

Подсчитано, что средняя наземная ветровая турбина мощностью 2,5–3 мегаватт может вырабатывать более 6 миллионов кВт⋅ч в год. Морская турбина мощностью 3,6 МВт может вырабатывать вдвое больше.

Какую мощность вырабатывает ветряная турбина за один оборот?

Ветряные турбины становятся всё больше и производят всё больше электроэнергии. В 2018 году шведский энергетический гигант Vattenfall установил первую из 11 своих турбин мощностью 8,8 МВт, произведённых компанией Vestas, у берегов Шотландии. Эти колоссальные турбины имеют общую высоту 191 м (627 футов), а длина каждой лопасти — 80 м (262 фута). По словам Адама Эззамеля, руководителя проекта Европейского центра развития морской ветроэнергетики, «всего один оборот лопастей может обеспечить электроэнергией среднестатистический дом в Великобритании в течение дня».

Может ли одна ветряная турбина обеспечить дом электроэнергией?

Существуют альтернативы гигантским ветряным турбинам, используемым для генерации электроэнергии в коммунальных масштабах. Небольшие ветряные турбины мощностью 100 киловатт и менее могут использоваться для непосредственного электроснабжения жилых домов или небольших предприятий. Они могут генерировать электроэнергию так же, как солнечные панели, то есть энергия может накапливаться в аккумуляторах и обеспечивать электроэнергией жилые дома или предприятия в ветреные дни. Проблема возникает, когда ветер стихает на несколько дней или усиливается настолько, что ветряная турбина не может работать без повреждений.

Другая, более серьёзная проблема заключается в том, что установка ветряной турбины или солнечных панелей обходится в огромную сумму. Более простое решение — просто перейти с тарифного плана на электроэнергию, получаемую дома или в офисе от ископаемого топлива, на подписку на экологически чистую энергию . Это позволит мгновенно сэкономить, и плата за подключение не взимается.

Хотя установка солнечных панелей или ветряных турбин может окупиться в долгосрочной перспективе, это не та финансовая инвестиция, которую могут себе позволить многие.

Если вы всё же решите установить турбину, она может быть установлена ​​на крыше или быть отдельно стоящей, в зависимости от ситуации. В очень редких случаях излишки электроэнергии могут быть переданы в сеть и фактически приносить доход владельцу (как солнечные панели).

Это растущий сектор рынка (вы даже можете купить их на Amazon), и со временем он может стать таким же важным, как ветряные электростанции, поскольку мы ищем более дешевые устойчивые источники энергии.

Преимущество ветра в том, что он бесплатный, и его много! Есть надежда, что в конечном итоге до 50% потребностей в энергии можно будет удовлетворить за счёт энергии ветра. Уже сейчас почти половина электроэнергии в Дании вырабатывается за счёт ветра. К концу 2018 года мировая мощность ветрогенерации достигла почти 600 гигаватт, причём на долю США приходится 96 665 МВт. Управление энергетической информации США прогнозирует, что в 2020 году будет введено в эксплуатацию ещё 14 300 МВт ветрогенерации.

Энергия ветра не является единственным ответом на энергетические потребности мира, но она уже играет важную роль, помогая нам адаптироваться к более чистому и устойчивому будущему.