Как сделать ветрогенератор: Страница не найдена – Совет Инженера

Содержание

Как сделать ветрогенератор из асинхронного двигателя

Для самодельного ветряка удобно использовать асинхронный генератор. Он сразу вырабатывает переменный ток, и нет необходимости подключать инвертор, что упрощает схему сборки. Это означает, что всеми бытовыми приборами можно пользоваться прямо от ветряка. Сделать асинхронный генератор своими руками несложно. Достаточно найти старый асинхронный двигатель (АД) от какого-либо бытового прибора и использовать его в качестве основы для ветряка. Понадобится, правда, несложная переделка.

Принцип работы асинхронного двигателя и генератора

Асинхронный двигатель — это электродвигатель переменного тока. Его особенность состоит в том, что магнитное поле, которое производится током обмотки статора, и ротор вращаются с разной частотой. В синхронных двигателях их частота совпадает. Наиболее распространенная конструкция АД включает в себя фазный ротор и статор, между которыми находится воздушный зазор. Но встречаются и двигатели с короткозамкнутым ротором. Активная часть АД — это магнитопровод и обмотки. Остальные элементы обеспечивают жесткость конструкции, возможность вращения и охлаждение. Ток в таком двигателе появляется благодаря электромагнитной индукции, которая возникает при вращении магнитного поля с определенной скоростью.

В свою очередь, асинхронный ветрогенератор — это двигатель, который работает в генераторном режиме. Приводной ветродвигатель вращает ротор и магнитное поле в одном направлении. При этом возникает отрицательное скольжение ротора, на валу появляется тормозящий момент, после чего энергия передается на аккумулятор. Для возбуждения ЭДС в дело идет остаточная намагниченность ротора, а усиление ЭДС происходит за счет конденсаторов.

Изготовление ветрогенератора своими руками из асинхронного двигателя

Чтобы приспособить АД под ветряк, вам нужно создать в нем движущееся магнитное поле. Для этого проведите ряд преобразований:

  1. Подберите неодимовые магниты для ротора. От их силы и количества зависит сила магнитного поля.
  2. Проточите ротор под магниты. Это можно сделать при помощи токарного станка. Снимите пару миллиметров со всей поверхности сердечника и дополнительно сделайте углубления под магниты. Толщина проточки зависит от выбранных магнитов.
  3. Сделайте разметку ротора на четыре полюса. На каждом разместите магниты (от восьми штук на полюс, но лучше больше).
  4. Теперь нужно зафиксировать магниты. Сделать это можно при помощи суперклея, но тогда удерживайте элементы пальцами до тех пор, пока клей не схватится (при контакте с ротором магниты будут менять свое положение). Или закрепите все элементы скотчем.
  5. Следующий шаг — заполнение свободного пространства между магнитами эпоксидной смолой. Для этого обмотайте ротор с магнитами бумагой, поверх нее намотайте скотч, а концы бумажного кокона загерметизируйте пластилином. После изготовления такой защиты внутрь можно заливать смолу. Когда эпоксидка окончательно высохнет, удалите бумагу.
  6. Зачистите поверхность ротора наждачкой. Для этого используйте бумагу средней зернистости.
  7. Определите два роторных провода, которые ведут к рабочей обмотке. Остальные провода обрежьте, чтобы не путаться.

На этом основные преобразования завершены. Дополнительно вы можете приобрести контроллер, а из кремниевых диодов сделать выпрямитель для вашего ветрогенератора. Кроме того, проверьте вращение двигателя. Если ход тугой, замените подшипники. Быстрый совет: если хотите увеличить силу тока, а также снизить напряжение в вашем агрегате, то не поленитесь и перемотайте статор толстой проволокой.

Тестирование генератора

Перед установкой готового генератора на осевую конструкцию или мачту нужно его протестировать. Для тестирования понадобится дрель или шуруповерт, а также какая-нибудь нагрузка, например, обычная лампочка, которую вы используете в быту. Подсоедините их к вашему агрегату и посмотрите, на каких оборотах лампочка горит ярко и ровно.

Если тестирование показывает хорошие результаты, то можно приступать к монтажу ветряка. Для этого необходимо изготовить лопастные элементы, осевую конструкцию, подобрать аккумулятор. Подробнее о том, как собрать ветрогенератор, можно почитать здесь.

Правила эксплуатации асинхронного ветрогенератора

Такой ветряк обладает рядом особенностей, которые нужно учитывать при эксплуатации:

  • Будьте готовы, что КПД готового устройства будет постоянно колебаться (в пределах 50%). Устранить этот недостаток невозможно, это издержки процесса преобразования энергии.
  • Позаботьтесь о качественной изоляции, а также заземлении ветрогенератора. Это обязательное требование безопасности.
  • Сделайте кнопки для управления устройством. Это значительно упростит его использование в дальнейшем.
  • Кроме того, предусмотрите места для подключения измерительных приборов. Это обеспечит вас данными о работе вашего агрегата, позволит проводить диагностику.

Преимущества и недостатки ветрогенератора из асинхронного двигателя

Если сравнивать асинхронный и синхронный ветрогенераторы, то у асинхронных есть как преимущества, так и недостатки.

Преимущества заключаются в следующем:

  • Мощные устройства с простой конструкцией, небольшими размерами и весом.
  • Высокий уровень эффективности при выработке энергии.
  • Нет необходимости в инверторе, потому что такой ветрогенератор производит переменный ток (220/380В). Он может непосредственно питать бытовые устройства или работать параллельно с сетью централизованного энергоснабжения.
  • Выходное напряжение очень стабильно.
  • Частота на выходе не зависит от скоростей ротора.
  • Обладает высокой устойчивостью к коротким замыканиям, защищен от влаги и грязи.
  • Может служить многие годы, так как содержит мало изнашивающихся элементов.
  • Работает на конденсаторном возбуждении.

Недостатки такие:

  • При отсутствии аккумулятора асинхронный генератор может затухать в моменты перегрузки. Это является ограничителем для использования такого агрегата. Но для ветряка такой недостаток неактуален, потому что его конструкция предполагает накопитель энергии. О том, как выбрать аккумулятор для ветряка, можно прочитать здесь.
  • Конденсаторные батареи имеют высокую стоимость, поэтому переделка старого АД — это оптимальное решение вопроса.
  • Оборотность генератора находится в обратной зависимости от его массы.

Таким образом, ветрогенератор своими руками из асинхронного трехфазного двигателя — это недорогое и удобное решение для дома.

Ветрогенератор своими руками - altern-energy.com.ua

Ветрогенератор своими руками

Все больше и больше сеть наполняет вопрос о том как сделать ветрогенератор своими руками. На самом деле это не так сложно если руки стоят из того места и нет боязни сделать что-то не так (или вообще что-то делать). 

Для примера или так сказать пробы лучше начать с меньшей мощности, так как это дешевле в расходах. Мои подсчеты показали, что для изготовления ветряка дома мощностью 5-250 Ватт нужно примерно 100-150$. Это в значительной степени меньше чем делать солнечные батареи с той же выходной мощностью.

С чего же начать создавать ветрогенератор ?

Самое важное все приготовить и не забыть составить план что за чем будет собираться.

Для ветряка своими руками Вам не понадобится специализированный инструмент. вот что можно использовать.

[toggle title=»инструмент»]

  • — ножовка
  • — дрель и сверла для нее
  • — рулетку
  • — разводной ключ
  • — газовый ключ
  • — транспортир
  • — наждачку (разной зернистости)[/toggle]

А также самою важную составляющую нашего проекта (с бодрым названием «ветрогенератор своими руками») — это детали из чего собственно будет наш ветряк собран. Все необходимые детали можно найти у себя в гараже, иногда на балконе или просто купить на строительном рынке и магазине. Благо дело мы не строим пока ветряк на 3 кВт или больше.

3, где k – потери в ветрогенераторе на механические трения и т.п.
  • — чем выше ветряк установлен над уровнем земли, тем большее мощности можно извлечь из энергии ветра (рекомендуют 6-15 метров, но я установил на высоте 4 метра).
  • Сами лопасти изготовить из ПВХ трубы просто, нужно разрезать трубу на три полосы — две 150 град., и одна 60 град. Все это показано на рисунке. Лопасти получаемые из отрезка 10град. Более широкие — они легко крутятся в слабый ветер, но с одним недостатком — слабо.  Вы можете сами подобрать угол опытным путем — он находится где то в диапазоне 75-150 град.

    Для начала вырежьте широкие лопасть и если нужно, то потом подрежьте их сделав более узкими. Если следовать аэродинамике, то нужно скруглить главную кромку и выровнять заднюю. Но с ПВХ трубами особой разницы вы не увидите.

    [/toggle]

    [toggle title=»Этап 2. Крепим Лопасти»] Что же пора перходить к следующей задачек на повестке дня, а именно крепление лопастей.

    Есть много способов крепления, но самый простой и не дорогой думаю использование диска пилы, либо новой либо использованной, в любом случае предварительно необходимо эти зубья сточить.

    Необходимо просверлить 2 отверстия равномерно расположив их от центра к краю ( на диске всего должно получится 6) со смешение в 120 град. После сверления можно приступить к сборке лопастей. Важно для крепления использовать гайки болтами, а также ипользуйте обязательно граверную шайбу.

    Окончательно крепление лопастей смотрите на рис. [/toggle][toggle title=»Этап 3. Изготовление флюгера и шарнира для поворота»]

    Далее переходим к изготовлению поворотной платформы, на которую мы прикрепим наши лопасти и собственно поставим генератор. Для этого используйте проф-трубу (квадрат по нашему), кусок ПВХ трубы, фланец и небольшой кусок металла для хвостовика. Из куска металла для нашего ветряка вырезаем флюгер. Форма при этом особо не важна, а только желание придать эстетический вид будет для вас направлением.

    Далее в трубе (металлической) делаем пропил 20-25см (скорее всего используем болгарку, а то долго мучиться) и вставляем наш флюгер. Для крепления нам опять понадобятся болты и сквозные отверстия в трубе и листе металла.

    Важно для защиты генератора от дождя и других явлений, связанных с водой, иметь чехол. Его делаем их куска ПВХ трубы. Ниже на рис. можно посмотреть как его делать.

    Не для кого не секрет, что металл ржавеет, а для избегания этого используется краска. Значит и нам пришла пора все красить и собирать. Чехол с генератором крепим к трубе хомутами, а снизу трубы (ближе к двигателю) ставим фланец. [/toggle][toggle title=»Этап 4. Изготовление мачты»] Итак наше мучение с ветрогенератором подходит к  завершению и осталось всего нечего флюгер поднять повыше.

    На дачах и в частных домах для такого можно использовать крышу  — немного приподняв над ней флюгер ветряка. Но мы пойдем другим путем, а именно поставим наш ветряк отдельно. Для этого нам понадобится ПФХ труба , муфта для нее и 3 Т-образных отвода.

    Ее просто изготовить, и вот что получилось.

     [/toggle]

    Ветряк готов.  Можно использовать автомобильные аккумуляторы, но они все же не приспособлены для постоянной разрядки и зарядки. Обычно для ветряков используют гелевые аккумуляторы, они намного более долговечны в работе. Также не забудьте припаять диоды между аккумулятором и генератором, а то ток пойдет в генератор.

    Украинский стартап Sirocco Energy разработал ветрогенератор, который генерирует энергию в городских условиях

    В чем особенность ветряка Sirocco Energy

    "За счет большего количества и другого принципа движения лопастей, наша установка работает значительно стабильнее и эффективнее в городских условиях. Лопасть едет по треку, а не вращается вокруг своей оси, поэтому уровень вибрации в разы меньше, чем у традиционных ветряков. Значительно меньше и аэродинамического шума, поэтому мы можем использовать установки рядом с людьми и вблизи городов", - объясняет Водяной.

    Часто люди интересуются разницей эффективности между ветряками и солнечными панелями. И хотя стоимость установки солнечной электростанции может быть вдвое дешевле, однако ветровая установка Sirocco Energy генерирует примерно вдвое больше энергии при той же номинальной мощности.

    Еще важный нюанс: если ветряк, скажем, при скорости ветра 3 м/с генерирует 100 кВт / ч, то уже при скорости в 4 м/с - он будет генерировать ориентировочно 180 кВт. А это 80% разницы. Этого количества энергии достаточно для удовлетворения нужд средней однокомнатной квартиры в течении 18 дней. Поэтому если на объекте можно найти место, где этот "дополнительный" метр в скорости, то установка окупится почти вдвое быстрее, отмечает Тарас.

    По его словам, эффективность хороших лопастных ветряков составляет около 30-40%: "Наша установка по результатам симуляции показывает результат 52% эффективности. Это фантастический результат. Мы сначала сами не могли поверить и несколько раз проверяли расчеты, но это так", - объясняет он.

    Также Sirocco Energy устанавливает метеостанции для тестирования скорости ветра на объектах клиентов на 3-12 месяцев как отдельную услугу.

    Как удалось попасть в Программу Климатических инновационных ваучеров

    "Мы подавались на Программу Климатических инновационных ваучеров с инновациями, которые могут помочь в борьбе с изменениями климата в мире. Грант, который мы выиграли, поможет ускорить запуск продукта", - объясняет главный операционный директор Sirocco Energy.

    Программа Климатических инновационных ваучеров от Greencubator не только оказывала финансовую поддержку, но и помогала разработке быстрее выйти на международный рынок.

    "Тогда, для нас это было невероятно нужно, потому что благодаря гранту мы смогли привлечь крутых специалистов в плане разработки, симуляции и адаптации нашего продукта", - объясняет Тарас.

    Благодаря программе команда разработала ветряную установку мощностью 5 кВт и готова запустить производство. Тем временем Sirocco Energy тестирует свою продукт в Украине.

    За два года существования Программы Климатических инновационных ваучеров украинский бизнес продемонстрировал огромный потенциал для реализации идей по снижению вредного воздействия на окружающую среду. Таким образом, благодаря инновациям и поддержке, которую они получили, украинские компании выводят на европейский и мировой рынок новые экологические технологии, тем самым внося непосредственный вклад в борьбу с изменением климата.

    Автор: Ульяна Букатюк

    Статья на Espresso.tv

    Как работает ветряная турбина?

    Что такое ветряная турбина?

    Ветряная турбина - это самая современная версия ветряной мельницы. Проще говоря, он использует силу ветра для производства электричества. Наиболее заметны большие ветряные турбины, но вы также можете купить небольшую ветряную турбину для индивидуального использования, например, для обеспечения энергией каравана или лодки.

    Что такое ветряная электростанция?

    Ветряная электростанция - это группа ветряных турбин. Довольно впечатляюще думать, что электричество, которое так сильно влияет на нашу жизнь - от зарядки наших телефонов до того, что позволяет нам приготовить чашку кофе и, все чаще, заправлять наши автомобили - могло начаться с простого порыва ветра. .

    Как работает ветряная турбина?

    Сначала давайте начнем с видимых частей ветряной электростанции, которые мы все привыкли видеть - этих высоких белых или бледно-серых турбин. Каждая из этих турбин состоит из набора лопастей, коробки рядом с ними, называемой гондолой, и вала. Ветер - а это может быть просто легкий ветерок - заставляет лопасти вращаться, создавая кинетическую энергию. Лопасти, вращающиеся таким образом, также заставляют вращаться вал в гондоле, а генератор в гондоле преобразует эту кинетическую энергию в электрическую.

    Что будет дальше с электричеством, вырабатываемым ветряной турбиной?

    Для подключения к национальной сети электрическая энергия затем пропускается через трансформатор на объекте, который увеличивает напряжение до уровня, используемого в национальной электроэнергетической системе. Именно на этом этапе электричество обычно направляется в передающую сеть National Grid, готовую к передаче, чтобы в конечном итоге ее можно было использовать в домах и на предприятиях. В качестве альтернативы, ветряная электростанция или отдельная ветряная турбина могут вырабатывать электроэнергию, которая используется частным образом отдельным лицом или небольшой группой домов или предприятий.


    Почему ветряки обычно белые или бледно-серые?

    Ветряные турбины обычно бывают либо белыми, либо очень бледно-серыми - идея состоит в том, чтобы сделать их визуально ненавязчивыми, насколько это возможно. Существует дискуссия о том, следует ли их перекрашивать в другие цвета, особенно в зеленый, в некоторых условиях, чтобы помочь им лучше вписаться в окружающую среду.

    Насколько сильным должен быть ветер для работы ветряной турбины?

    Ветровые турбины могут работать при любых скоростях ветра - от очень слабого до очень сильного.Они генерируют около 80% времени, но не всегда на полную мощность. При очень сильном ветре они отключаются, чтобы предотвратить повреждение.

    Где расположены ветряные электростанции?

    Ветряные электростанции, как правило, располагаются в самых ветреных местах, чтобы максимально использовать энергию, которую они могут производить - вот почему вы с большей вероятностью увидите их на склонах холмов или на побережье. Ветряные электростанции, расположенные в море, называются оффшорными ветряными электростанциями, а расположенные на суше - наземными ветряными фермами.

    Где была первая ветряная турбина и первая ветряная электростанция?

    Самая первая ветряная турбина, вырабатывающая электричество, была создана профессором Джеймсом Блайтом в своем доме отдыха в Шотландии в 1887 году. Он был 10 метров в высоту и имел парусину.

    Первая в мире ветряная электростанция открылась в Нью-Гэмпшире в США в 1980 году.

    Вредны ли ветряные электростанции для птиц?

    Дело в том, что изменение климата представляет собой самую серьезную долгосрочную угрозу для птиц и других диких животных. А возобновляемые источники энергии, ключевым компонентом которых являются ветряные турбины, необходимы для сокращения парниковых газов .

    Королевское общество защиты птиц Великобритании ( RSPB ) признает эту более широкую картину, заявляя: «Переход на возобновляемые источники энергии сейчас, а не через 10 или 20 лет, необходим, если мы хотим стабилизировать выбросы парниковых газов в атмосфера на безопасном уровне.”

    Разработчики ветряных электростанций тесно сотрудничают с RSPB и местными экологическими группами в рамках процесса консультаций по выбору ветряных электростанций, чтобы продолжить рост наземной и морской ветроэнергетики, одновременно компенсируя любой потенциальный вред птицам из-за потери среды обитания, нарушения и столкновение.

    В отчете США сделан вывод о том, что влияние энергии ветра на популяции птиц относительно невелико по сравнению с падением жертвой кошек и столкновениями с высотными зданиями.

    Сколько энергии в Великобритании вырабатывается ветром?

    Узнайте, сколько энергии в Великобритании вырабатывается ветром, с помощью приложения National Grid ESO для Google Play или Apple iOS .

    Можно ли сделать ветряную турбину без ископаемого топлива?

    Были выдвинуты различные сценарии, показывающие, что 100% возобновляемая энергия достижима. Некоторые из них даже заявляют, что мы можем полностью отказаться от ископаемого топлива всего за пару десятилетий.Мир, полностью лишенный окаменелостей, может быть желательным, но достижим ли он?

    Текущая осуществимость 100% возобновляемых источников энергии легко проверить, задав простой вопрос. Можно ли построить ветряную турбину без ископаемого топлива? Если машины, которые будут обеспечивать 100% возобновляемую энергию, не могут быть созданы без ископаемого топлива, то совершенно очевидно, что мы не можем получить 100% возобновляемую энергию.

    Вот как выглядит типичная ветряная турбина:

    Из чего она сделана? Много стали, бетона и современного пластика.Требования к материалам современной ветряной турбины были рассмотрены Геологической службой США. В среднем на 1 МВт ветровой мощности требуется 103 тонны нержавеющей стали, 402 тонны бетона, 6,8 тонны стекловолокна, 3 тонны меди и 20 тонн чугуна. Элегантные лопасти сделаны из стекловолокна, башня размером с небоскреб - из стали, а основание - из бетона.

    Эти требования можно поместить в контекст, учитывая, сколько нам потребуется, если мы быстро перейдем на 100% ветровую электроэнергию в течение 20-летнего периода.Средний мировой спрос на электроэнергию составляет примерно 2,6 ТВт, поэтому нам нужно в общей сложности около 10 ТВт ветровой мощности для обеспечения этой электроэнергии. Таким образом, нам потребуется около 50 миллионов тонн стали, 200 миллионов тонн бетона и 1,5 миллиона тонн меди в год. Эти цифры кажутся высокими, но текущее мировое производство этих материалов более чем на порядок превышает эти требования.

    Для краткости я рассмотрю только, можно ли производить эту сталь без ископаемого топлива и можно ли изготавливать бетон без производства углекислого газа.Однако вначале я отмечу, что потребность в стекловолокне означает, что ветряная турбина в настоящее время не может быть изготовлена ​​без добычи нефти и природного газа, потому что стекловолокно без исключения производится из нефтехимии.

    Начнем со стали. Как мы производим большую часть стали во всем мире?

    Есть два метода: переработка старой стали или производство стали из железной руды. Подавляющее большинство стали производится с использованием последнего метода по той простой причине, что поблизости нет достаточно старой стали, которую можно переплавить для удовлетворения мирового спроса.

    Вот краткое описание того, как мы производим сталь. Сначала мы извлекаем железную руду из земли, оставляя ландшафт, выглядящий следующим образом:

    Это делается с помощью мощных машин, которым требуется топливо с высокой плотностью энергии, например, дизельное топливо:

    И машины, которые выполняют всю эту работу почти полностью изготовлены из стали:

    После добычи железную руду необходимо транспортировать на сталелитейный завод. Если железная руда поступает из Австралии или Бразилии, ее, скорее всего, придется погрузить на большой балкер и перевезти в другую страну.

    Что приводит в действие эти корабли? Дизельный двигатель. И они большие:

    Простые инженерные реалии означают, что судоходство требует топлива с высокой плотностью энергии, в основном дизельного топлива. Из-за присущей им низкой плотности энергии ветра и солнечной энергии установка солнечных батарей или, возможно, воздушного змея на один из этих кораблей не приблизится к удовлетворению их потребностей в энергии. Скорее всего, мы останемся на дизельных двигателях на несколько поколений.

    Затем мы перерабатываем эту железную руду в сталь.Как это сделать? Есть только два широко используемых метода. Доменная печь или маршруты прямого восстановления, и эти процессы в основном зависят от подачи большого количества угля или природного газа.

    Современная доменная печь

    Доменная печь используется для производства большей части стали во всем мире. Здесь уголь является ключевым. Железная руда непригодна для использования в основном потому, что это в основном оксид железа. Его необходимо очистить путем удаления кислорода, и мы делаем это путем реакции железной руды с оксидом углерода, полученным с использованием кокса:

    Fe 2 O 3 + 3CO → 2Fe + 3CO 2

    Производство диоксида углерода следовательно, это не просто результат энергетических потребностей производства стали, но и химических требований плавки железной руды.

    Эту сталь затем можно использовать для изготовления башни для ветряной турбины, но, как вы можете видеть, каждый важный этап производственной цепочки для того, что мы называем первичной сталью, зависит от ископаемого топлива.

    По весу цемент является наиболее широко используемым материалом в мире. Сейчас мы производим более 3,5 миллиардов тонн продукции каждый год, большая часть которой производится и потребляется в Китае. И одно из наиболее важных применений цемента - производство бетона.

    Цемент составляет от 10 до 20% массы бетона, в зависимости от конкретного бетона.Однако с точки зрения воплощенной энергии и выбросов она составляет более 80%. Итак, если мы хотим производить бетон без выбросов, нам действительно нужно выяснить, как производить цемент без выбросов.

    Мы производим цемент в цементной печи, используя печное топливо, такое как уголь, природный газ или довольно часто используемые шины. Обеспечение теплом при производстве цемента является очевидным источником парниковых газов, и обеспечение этого тепла низкоуглеродными источниками столкнется с множеством проблем.

    Современная печь для обжига цемента

    Эти проблемы можно преодолеть, а может и нет, но вот одна из них более сложная.Примерно 50% выбросов от производства цемента происходит не за счет энергообеспечения, а за счет химических реакций при его производстве.

    Ключевой химической реакцией при производстве цемента является превращение карбоната кальция (известняк) в оксид кальция (известь). Удаление углерода из карбоната кальция неизбежно приводит к выбросу углекислого газа:

    CaCO 3 → CaO + CO 2

    Эти химические реалии чрезвычайно затруднят полное удаление карбоната цементного производства.

    Общее производство цемента в настоящее время составляет около 5% мировых выбросов двуокиси углерода, и почти 7% приходится на производство чугуна и стали. Не мелочь.

    В заключение, очевидно, что мы не можем строить ветряные турбины в больших масштабах без ископаемого топлива.

    Ничто из этого не является аргументом против ветряных турбин, это просто аргумент против чрезмерных обещаний того, что может быть достигнуто. Также следует отметить, что мы не можем построить атомную электростанцию ​​или любую крупную инфраструктуру, если на то пошло, без бетона или стали.Может быть желательно будущее без ископаемого топлива, но в настоящее время оно недостижимо. Соответственно должны быть установлены ожидания.

    Экологичные материалы с открытыми глазами - Олвуд и Каллен

    Создание современного мира: материалы и дематериализация - Вацлав Смил

    Системы ветряных турбин и возобновляемые источники энергии

    Системы ветряных турбин являются источником возобновляемой энергии. Они больше всего подходят для ветреной сельской местности.

    На этой странице:

    • конфигурация системы ветрогенератора
    • мощность системы ветрогенератора
    • скорость и мощность ветра
    • контроль отключения
    • факторы, влияющие на мощность генерации
    • установка системы ветрогенератора
    • подключение к электросети
    • ветер загрязнение генератора.

    В оптимальных условиях эффективность ветрогенератора по преобразованию энергии в электричество составляет около 45%, хотя исследования Новой Зеландии показывают, что эффективность 1040% чаще встречается в повседневной работе.

    Исследования показали, что средняя скорость ветра в конкретном месте должна превышать как минимум 68 метров в секунду (м / с), чтобы небольшая ветряная турбина была экономически жизнеспособной.

    При рассмотрении затрат и экономической целесообразности имейте в виду, что дополнительные расходы, связанные с согласием затрат, фрахтом, бетонным фундаментом, проводкой могут быть эквивалентны 3080 процентам стоимости самой турбины. Турбина мощностью 2 кВт может стоить около 2030 000 долларов США, включая установка. Следует также учитывать затраты на техническое обслуживание ветряных турбин, как правило, к более высоким требованиям к обслуживанию, чем, например, фотоэлектрические системы. Некоторые расчеты показали, что во многих случаях солнечная электрическая система, вероятно, будет более рентабельной, чем ветряная турбина. В настоящее время в Новой Зеландии устанавливается сравнительно небольшое количество небольших ветроэнергетических систем.

    Они больше подходят для удаленных мест, так как могут создавать шум и могут считаться неприглядными.

    Турбины могут не работать в городских условиях, потому что препятствия, такие как здания, имеют тенденцию делать ветер турбулентным и неустойчивым.

    Конфигурация системы ветрогенератора

    Типовая ветряная турбина для выработки электроэнергии

    Компоненты ветряной турбины

    Ветряная турбина включает:

    • лопастей турбины гребные винты с двумя, тремя или пятью лопастями, установленными на горизонтальном валу (это дает более высокую мощность, чем когда они установлены на вертикальном валу) и изготовленные из легкого материала, такого как углеродное волокно, стекловолокно или дерево, достаточно прочное, чтобы противостоять силам ветра.
    • хвостовая часть, как правило, плавник, который вращает корпус ветрогенератора для поворота турбины в направлении ветра, с плавником прямо по ветру
    • Электроэнергия переменного тока генератора переменного тока вырабатывается обмотками ротора, соединенными с валом от турбины
    • выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный ток для электричества, которое направляется в аккумуляторную систему хранения (выпрямитель может быть расположен в генераторе переменного тока или в отдельном блоке управления вдали от башни)
    • электрические кабели передают электричество от генератора к система электроснабжения или аккумуляторов
    • Контактные кольца
    • предотвращают скручивание кабелей, поскольку в противном случае они будут скручиваться внутри башни при вращении корпуса турбины
    • Электроэлемент всегда вырабатывается, когда турбина вращается, поэтому, если мощность превышает емкость накопителя , он должен быть перенаправлен на фиктивную нагрузку (обычно электрический элемент, который сильно нагревается) или продан (если это разрешено в t plan) розничному продавцу электроэнергии
    • башня конструкция (обычно из стали, бетона или дерева), которая удерживает турбину высоко в воздухе и позволяет узлу турбины наверху вращаться против ветра для жилых помещений, обычно это мачта опора с растяжками
    • растяжка удерживает опору мачты в рабочем положении
    • опора и лебедка позволяют опускать турбину для обслуживания
    • бетонный фундамент для турбины мощностью 23 кВт на вышке 1015 м обычно требуется 35 м 3 фундамент железобетонный.

    Мощность ветрогенератора

    Ветрогенераторы обычно рассчитаны на 13 кВт. Это обычно обеспечивает от одной трети до половины потребности жилого дома в электроэнергии, в зависимости от местных ветровых условий и энергопотребления дома. В открытом месте генератор такого размера может обеспечить все потребности в электроэнергии и обеспечить ее избыток. Ветряные генераторы большего размера доступны для фермерских хозяйств и сельских населенных пунктов. Фактическая выходная мощность турбины обычно составляет от 25% до 30% от номинальной теоретической максимальной мощности.Мощность ветрогенератора обычно рассчитывается при указанной скорости ветра, а номинальная скорость ветра может варьироваться в зависимости от системы и производителя.

    Производительность ветряных генераторов прямо пропорциональна количеству используемого ветра, которое само по себе является функцией скорости ветра и чистоты.

    Скорость и сила ветра

    Плотность энергии ветра - это количество ватт электроэнергии, производимой на квадратный метр воздушного пространства (Вт / м).Это значение обычно дается на высоте 10 м или 50 м над землей.

    Как правило, доступная мощность ветровой генерации определяется средней скоростью ветра в течение года для каждого местоположения. Вокруг Новой Зеландии средняя скорость ветра обычно выше в регионах:

    • вдоль побережья между Северным и Южным островами
    • в горных хребтах и ​​непосредственно к востоку от них
    • к вершинам хребтов или вершинам долин.

    Для больших турбин увеличение скорости ветра приводит к значительно большему увеличению выхода энергии, когда скорость ветра удваивается, вырабатываемая энергия может увеличиваться до восьми раз.Тем не менее, исследования Новой Зеландии с небольшими домашними турбинами показали, что увеличение обычно более линейное, когда скорость ветра удваивается, вырабатываемая энергия удваивается.

    Скорость ветра колеблется, что влияет на мощность производства ветровой электроэнергии и рабочие характеристики. Как правило, скорости ветра следующие:

    • Для запуска большинства малых ветряных турбин требуется минимум 8 км / ч (2 м / с).
    • 12,6 км / ч (3,5 м / с) - это типичная скорость включения, когда небольшая турбина начинает вырабатывать энергию.
    • 3654 км / ч (1015 м / с) вырабатывает максимальную мощность.
    • При максимальной скорости 90 км / ч (25 м / с) турбина останавливается или тормозит (скорость отключения).

    Энергию ветра на участке можно получить с помощью измерительного прибора, установленного на опоре на высоте будущего ветрогенератора. Сбор данных за целый год, как правило, нецелесообразен, поэтому данные за пару месяцев можно взять и сравнить с данными местной метеостанции, а затем экстраполировать на год. К устройствам относятся:

    • анемометр, дающий среднесуточную скорость ветра
    • сумматор ветра, дающий мгновенную скорость ветра и общий ветер за длительный период.

    Элементы управления выключением

    Доступны следующие варианты управления вырезом:

    • задействовать тормоз, чтобы полностью остановить турбину и повернуть лопасти (уменьшить их угол по отношению к ветру), чтобы повернуть ее лицом в противоположную сторону от ветра
    • наклонить назад или лечь на турбина (это называется регулированием наклона вверх)
    • управлять турбиной от ветра за счет аэродинамики и силы тяжести (это известно как autofurl)
    • регулировать скорость вращения с помощью воздушного тормоза для получения постоянной мощности
    • опереть лопасти (уменьшите их угол к ветру), чтобы уменьшить скорость турбины.

    Факторы, влияющие на генерирующую мощность

    Производительность системы зависит от ее эффективности при преобразовании давления ветра в данные о вращательной инерции турбины. Данные должны быть доступны у поставщика системы. Это увеличивается с:

    • большим диаметром турбины, большей площадью лопастей турбины, на которую ветер может воздействовать, а также повышенным риском навязчивого шума
    • соответствующий профиль лопасти для местной скорости ветра это зависит от средней скорости ветра, а также от того, ветер постоянный или приходит в короткие периоды высокой скорости
    • меньшие потери на трение в узле вала турбины.

    Вырабатывающая мощность снизится, если турбина расположена:

    • ниже скорости ветра скорость ветра увеличивается с высотой над землей, при этом рекомендуется минимум 10 метров
    • в турбулентном воздушном пространстве с подветренной стороны от препятствия (например, деревья, холмы, здания, сооружения) с подветренной стороны турбулентность будет увеличиваться в два раза по высоте препятствия на расстоянии, примерно в 20 раз превышающем высоту препятствия
    • , на расстоянии от препятствия с наветренной стороны, которое более чем в 10 раз превышает высоту препятствия.
    Расположение ветряной турбины

    Ветровые турбины работают лучше всего, когда нет турбулентного потока воздуха для привода лопастей турбины.

    Установка ветрогенераторов

    Система ветрогенератора:

    • потребует разрешения на строительство и согласия ресурсов.
    • должен быть установлен в пределах 100 м от системы электроснабжения или накопления, чтобы уменьшить потери в линии.
    • должен выдерживать ветровые и сейсмические нагрузки
    • обычно имеет бетонную опору для башни (и каждую растяжку)
    • должен иметь гашение вибраций в башне (от вращающих сил турбины), если она соединена со зданием
    • должен иметь защиту от крупных животных на уровне земли, они любят царапаться на опоре и растяжках
    • ,
    • должны быть установлены молниеотводы для защиты электронных компонентов от ударов молнии.
    • нуждается в достаточной площади для опускания и подъема опоры для обслуживания и ремонта.

    Удовлетворение спроса на электроэнергию

    Электроэнергия от ветрогенератора может быть доступна в любое время дня, но уровни выходной мощности будут варьироваться в зависимости от скорости ветра. Избыточный выход, генерируемый как переменный ток, преобразуется в постоянный ток выпрямителем для хранения в батареях. Это позволит обеспечить пиковое потребление, превышающее мощность генератора.

    Маловероятно, что очень маленькие турбины смогут удовлетворить общий спрос домохозяйств на энергию. Использование твердотопливной горелки для отопления помещений и солнечных панелей для нагрева воды поможет снизить спрос на электроэнергию, но для систем, которые не подключены к сети, иногда может потребоваться дизельный генератор.

    Загрязнение ветрогенератора

    Ветрогенераторы могут создавать шум и вибрацию и оказывать значительное визуальное воздействие. Шум может исходить от лопастей турбины, редуктора (если используется) и щеточного механизма, а также от ветра, проходящего мимо башни и растяжек. Шум и визуальное воздействие могут быть проблемой для соседей, а вибрация может быть проблемой, особенно если турбина расположена на крыше.

    Эти факторы должны влиять на решения о расположении, размере и высоте ветряного генератора.

    Дополнительная информация

    Обновлено: 30 декабря 2020 г.

    Эксперименты по ветроэнергетике и научный проект по турбинам

    Вертушка ветряка

    Сделайте вертушку, чтобы увидеть, как работает самая простая турбина, а затем используйте ее для производства электричества!

    Если у вас нет электрических компонентов, вы все равно можете выполнить первую часть этого проекта, чтобы увидеть, как ветер может создавать механическую силу.

    >> Используйте образец вертушки (PDF) для сборки своей турбины.

    Что вам понадобится:
    Чем вы занимаетесь:

    Часть 1 - Вертушка

    1. Вырежьте из картона квадрат шириной 4 дюйма. (Если вы выполняете только эту часть проекта, вы можете увеличить его, если хотите.) Посмотрите на шаблон вертушки, чтобы выполнить следующие шаги.
    2. С помощью линейки проведите диагональные линии от угла к углу. Сделайте небольшие отметки вдоль каждой линии на расстоянии 3/4 дюйма от центра квадрата.
    3. Обрежьте по диагональным линиям к центру, пока не дойдете до отметки 3/4 дюйма.
    4. Согните углы, отмеченные кружками на выкройке, в центр и скрепите слои вместе. (Возможно, вам понадобится как минимум две скобы, но не забудьте оставить пространство между скобами в самом центре). Когда все четыре «лезвия» сложены, воткните прямую булавку или кнопку через все слои в центре. Проденьте булавку через ластик на карандаше, чтобы закончить вертушку.
    5. Держите вертушку перед вентилятором и смотрите, как оно вращается. Потоки воздуха, идущие от вентилятора, захватывают изогнутую часть лопастей, заставляя их вращаться.

    Часть 2 - Генератор

    1. Снимите вертушку с карандаша и пробейте вал двигателя через центр. (Попробуйте наклеить пару полос малярной ленты на заднюю часть вертушки, прежде чем проткнуть ее - так будет плотнее прилегать к валу двигателя.) Если ваш двигатель поставлялся с маленькой крышкой на конце вала, наденьте ее. , чтобы удерживать вертушку на месте. Если у вас нет кепки, возьмите кусок глины или пробки.
    2. Используйте провода зажима типа «крокодил», чтобы подсоединить провода двигателя к лампочке.
    3. Теперь снова удерживайте двигатель / вертушку перед вентилятором. Лампочка горит? Присмотритесь - вы должны хотя бы увидеть, как нить накаливания начала светиться. Яркость лампы будет зависеть от того, какое напряжение вырабатывает ваша турбина, которое может меняться в зависимости от размера вертушки и мощности вентилятора.
    Что случилось:

    Когда вы прикрепляете двигатель к вертушке и помещаете его перед вентилятором, вы превращаете двигатель в генератор , который преобразует механическую силу (вращение вертушки) в электричество.Он делает это с помощью магнита внутри двигателя. Когда вы подключили провода двигателя к лампочке, вы образовали полную электрическую цепь, позволяющую электричеству течь от двигателя через лампочку и обратно.

    Один из способов измерения мощности - вольт . Вольт измеряет количество электричества, протекающего через цепь. Чем быстрее вращается генератор, тем больше вольт он выдает. В нашей простой ветряной турбине меньшая вертушка будет производить больше вольт, потому что она может вращаться быстрее.Чтобы полностью запитать лампочку, ваша турбина должна вырабатывать 1,5 вольта. Если лампочка тускло светится, это означает, что турбина вырабатывает менее 1,5 вольт.

    Настоящие ветряные турбины имеют очень большие лопасти, поэтому у них есть коробки передач, которые увеличивают скорость вращения (скорость вращения вала). Например, главный вал может вращаться только 22 раза в минуту, но шестерни в коробке передач могут использовать эту мощность, чтобы заставить меньший вал вращаться до 1500 раз в минуту, создавая намного больше напряжения!

    Больше экспериментов: Если у вас есть цифровой мультиметр, вы можете измерить величину напряжения и тока (в амперах), вырабатываемых вашей мини-турбиной.Поэкспериментируйте с вертушками большего или меньшего размера или сделайте отдельные лопасти, как у современной ветряной турбины. Какая конструкция может обеспечить максимальное напряжение? Что дает наибольшую силу тока? Когда вам нужно больше ампер, а когда больше вольт? Колесо какого размера заставляет лампочку светиться ярче всего? Можете ли вы использовать свою турбину для приведения в действие другого двигателя? Поднимать тяжести?

    Рекомендуемый продукт
    Комплект ветряной турбины Постройте прочную отдельно стоящую ветряную турбину с пластиковым основанием и выведите свои эксперименты на новый уровень! Вы сможете проверить мощность своих лопастей с помощью цифрового мультиметра, накапливать энергию ветра для последующего использования с суперконденсатором и экспериментировать с последовательными и параллельными цепями, используя два двигателя и три светодиода.Включает инструкции для семи экспериментов плюс четыре различных шаблона для лопаток турбины. Возраст от 12 лет и старше.

    Энергия ветра

    Как ни странно, энергия ветра исходит от главного источника энергии - солнца.

    (Фактически, почти все источники энергии происходят от Солнца!)

    Когда солнце освещает поверхность земли, оно нагревает землю быстрее, чем океаны. Теплый воздух над сушей поднимается вверх, и когда он это делает, более прохладный воздух из-за воды устремляется, чтобы занять его место - это ветер!

    Тем временем поднимающийся горячий воздух охлаждается и снова спускается вниз над водой.Эта циркуляция воздуха называется конвекцией . Вы можете задаться вопросом, как дует ветер в вашем районе, если вы не живете у океана.

    Конвекция происходит в огромных масштабах в атмосфере Земли, поэтому она влияет не только на побережье.

    Ветер - это форма кинетической энергии , что означает, что он находится в движении. На протяжении веков люди использовали ветряные мельницы, чтобы преобразовать эту движущуюся энергию в механическую форму для выполнения таких задач, как измельчение зерна или перекачка воды.

    В нашем обществе мы в основном используем энергию в виде электричества, поэтому современные ветряные турбины предназначены для производства электричества, которое может подаваться в местную электросеть.

    Ветряки состоят из трех основных частей:

    • Башня: Башня ветряной турбины, построенная на прочном фундаменте, может иметь высоту более 100 футов. На этой высоте ветер, вероятно, сильнее и устойчивее, поскольку его не отражают деревья и здания. Кроме того, благодаря высоте лезвия не представляют опасности для домашнего скота или других животных.
    • Ротор: Современная ветряная турбина обычно имеет три длинные обтекаемые лопасти, которые вместе называются ротором. Диаметр ротора иногда превышает 250 футов, этого почти достаточно, чтобы покрыть футбольное поле, когда он лежит на земле!
    • Гондола: Ротор прикреплен к гондоле, в которой находятся все компоненты, преобразующие движение ветра в электричество, такие как генератор, редуктор и контроллер.

    Хотя одна ветряная турбина может производить довольно много энергии, турбины часто строятся группами, называемыми ветряными фермами.Они строятся в ветреных районах, обычно на открытых плоских равнинах или открытых горных хребтах.

    Поскольку энергия ветра является возобновляемым ресурсом и не вызывает загрязнения, она является хорошей альтернативой ископаемому топливу.

    Ветряная турбина может вырабатывать достаточно электроэнергии примерно за 6 месяцев, чтобы восстановить количество энергии, использованной при ее строительстве, хотя ее окупаемость занимает гораздо больше времени.

    В США производство электроэнергии с помощью ветра увеличивается до 50% в год по мере строительства новых ветряных электростанций.Такие страны, как Дания, производят около 20% своей потребности в электроэнергии за счет энергии ветра.

    Хотя энергия ветра является прекрасным дополнительным источником энергии, маловероятно, что она станет основным источником энергии из-за ограничений на то, где могут быть построены турбины, и непредсказуемости ветра.

    Больше проектов в области альтернативной энергетики:

    Alliant Kids - Энергия ветра

    Энергия ветра существует уже давно. Вы, наверное, видели ветряные мельницы на фермах. Когда ветер вращает лопасти ветряной мельницы, он вращает турбину внутри небольшого генератора для производства электроэнергии, как угольная электростанция.

    Ветряная мельница на ферме может производить лишь небольшое количество электроэнергии, достаточное для питания нескольких сельскохозяйственных машин. Чтобы производить достаточно электроэнергии для обслуживания большого количества людей, коммунальные предприятия строят ветряные электростанции с большим количеством ветряных турбин.

    Ветряные электростанции строятся на плоских открытых площадках, где ветер дует не менее 14 миль в час.

    Они точно большие!

    Ветровые турбины, используемые для крупных ветряных электростанций, бывают разных размеров, но обычно имеют ширину около 13 футов в основании и от 230 до 265 футов в высоту в центре.С одной из лопастей в вертикальном положении общая высота составляет примерно 406 футов, как на изображении, изображенном здесь, на ветряной электростанции Cedar Ridge в округе Фон-дю-Лак, штат Висконсин.

    Сколько ветряных турбин нужно для ветряной электростанции?

    Ветряные электростанции могут иметь от пяти до 150 ветряных турбин. Одна из крупнейших ветряных электростанций в США находится в Альтамонт-Пассе, Калифорния. Он имеет более 4800 ветряных турбин.

    Alliant Energy владеет и управляет тремя ветряными электростанциями в Айове, Миннесоте и Висконсине.В дополнение к ветряным электростанциям, принадлежащим Alliant Energy, мы также закупаем более 600 мегаватт энергии у других ветряных электростанций на территории нашей зоны обслуживания.

    Как работает ветряк

    Ветряная турбина работает противоположно вентилятору. Вместо того, чтобы использовать электричество для производства ветра, турбина использует ветер для производства электроэнергии.

    Ветер вращает лопасти, которые вращают вал, который соединяется с генератором и производит электричество. Электроэнергия направляется по линиям передачи и распределения на подстанцию, затем в дома, предприятия и школы.

    Сделайте свои собственные ветряные гаджеты!

    Теперь, когда вы прочитали о ветроэнергетике, вы можете сделать свои собственные ветряные устройства дома.

    Возобновляемая энергия

    360-градусное видео: ветряная турбина внутри и снаружи

    Информация и факты об энергии ветра

    Ветер - это движение воздуха из области высокого давления в область низкого давления. На самом деле ветер существует потому, что Солнце неравномерно нагревает поверхность Земли. По мере того, как горячий воздух поднимается, более холодный воздух заполняет пустоту.Пока светит солнце, будет дуть ветер. А ветер издавна служил источником энергии для людей.

    Древние мореплаватели ловили ветер парусами. Когда-то фермеры использовали ветряные мельницы для измельчения зерна и перекачивания воды. Сегодня все больше и больше ветряных турбин выжимают из ветра электричество. За последнее десятилетие использование ветряных турбин увеличивалось более чем на 25 процентов в год. Тем не менее, он обеспечивает лишь небольшую часть мировой энергии.

    Погода на нашей планете может быть очень суровой - от волн тепла и града до тайфунов и торнадо.Узнайте, что заставляет природу высвободить свою ярость.

    Как это работает

    Большая часть энергии ветра поступает от турбин, которые могут достигать высоты 20-этажного здания и иметь три лопасти длиной 200 футов (60 метров). Ветер вращает лопасти, которые вращают вал, соединенный с генератором, вырабатывающим электричество.

    Самые большие ветряные турбины вырабатывают достаточно электроэнергии в год (около 12 мегаватт-часов) для снабжения около 600 домов в США. Ветряные электростанции имеют десятки, а иногда и сотни таких турбин, выстроенных вместе в особенно ветреных местах.Небольшие турбины, установленные на заднем дворе, могут производить достаточно электроэнергии для одного дома или небольшого предприятия.

    Бурно развивающаяся ветроэнергетика

    Ветер - это чистый источник возобновляемой энергии, не вызывающий загрязнения воздуха и воды. А поскольку ветер здесь бесплатный, эксплуатационные расходы после установки турбины практически равны нулю. Массовое производство и технический прогресс удешевляют турбины, и многие правительства предлагают налоговые льготы, чтобы стимулировать развитие ветроэнергетики.

    К недостаткам относятся жалобы местных жителей на уродливые и шумные ветряные турбины.Медленно вращающиеся лезвия также могут убивать птиц и летучих мышей, но не так много, как автомобили, линии электропередач и высотные здания. Ветер тоже переменчив: если он не дует, электричество не вырабатывается.

    Тем не менее, ветроэнергетика процветает. Благодаря глобальным усилиям по борьбе с изменением климата, таким как Парижское соглашение, возобновляемая энергия переживает бум роста, при этом энергия ветра лидирует. С 2000 по 2015 год совокупная ветровая мощность во всем мире увеличилась с 17 000 мегаватт до более чем 430 000 мегаватт.В 2015 году Китай также обогнал ЕС по количеству установленных ветряных турбин и продолжает лидировать в установке.

    Эксперты отрасли прогнозируют, что при сохранении таких темпов роста к 2050 году одна треть мировых потребностей в электроэнергии будет удовлетворяться за счет энергии ветра.

    Как снова сделать ветроэнергетику устойчивой

    Иллюстрация: Ева Микель для журнала Low-tech Magazine

    Более двух тысяч лет ветряные мельницы строились из материалов, пригодных для вторичного или многоразового использования: дерева, камня, кирпича, холста, металла.Когда в 1880-х годах появились ветряные турбины, производящие электроэнергию, материалы не изменились.

    Только с момента появления пластиковых композитных лопастей в 1980-х годах энергия ветра стала источником токсичных отходов, которые попадают на свалки.

    Новая технология производства древесины и новая конструкция позволяют изготавливать более крупные ветряные турбины почти полностью из дерева - не только лопасти, но и остальная часть конструкции. Это решит проблему отходов и сделает производство ветряных турбин в значительной степени независимым от ископаемого топлива и добываемых материалов.Лес, посаженный между ветряными турбинами, может обеспечить древесину для следующего поколения ветряных турбин.

    Насколько экологически безопасны лопасти ветряной мельницы?

    Ветряные турбины считаются чистым и устойчивым источником энергии. Однако, хотя они действительно могут вырабатывать электроэнергию с меньшими выбросами CO2, чем электростанции, работающие на ископаемом топливе, они также производят много отходов. Это легко упустить из виду, потому что примерно 90% массы большой ветряной турбины составляет сталь, в основном сосредоточенная в башне.Сталь обычно перерабатывается, и это объясняет, почему ветровые турбины имеют очень короткие сроки окупаемости энергии - переработанная сталь может использоваться для производства новых деталей ветряных турбин, что значительно снижает потребление энергии в процессе производства.

    Однако лопасти ветряных турбин изготавливаются из легких пластмассовых композитных материалов, которые имеют большие размеры и не подлежат переработке. Хотя масса лопастей ограничена по сравнению с общей массой ветряной турбины, ею нельзя пренебречь. Например, одна лопасть из стекловолокна длиной 60 м весит 17 тонн, а это означает, что ветряная турбина мощностью 5 МВт производит более 50 тонн пластиковых композитных отходов только с лопастей.

    Лезвие из пластика, армированного стекловолокном. Источник: Гурит.

    Лопасть ветряной мельницы обычно состоит из смеси эпоксидной смолы - нефтепродукта - и армированного стекловолокном. Лезвия также содержат прослоенные материалы сердцевины, такие как вспененный поливинилхлорид, вспененный полиэтилентерефталат, пробковое дерево (с переплетенными волокнами и эпоксидной смолой) и полиуретановые покрытия. [1-4]

    В отличие от стали в башне, пластик в лезвиях не может быть переработан для изготовления новых пластиковых лезвий.Материал может быть подвергнут вторичной переработке, например, путем его измельчения, что повреждает волокна и делает их бесполезными для чего-либо, кроме усиления наполнителя в производстве цемента или асфальта. Другие методы исследуются, но все они сталкиваются с одной и той же проблемой: никому не нужен «переработанный» материал. Некоторые архитекторы повторно использовали лопасти ветряных мельниц, например, для создания скамеек или детских площадок. Но мы не можем построить все из лопастей ветряных турбин.

    Из-за ограниченных возможностей переработки и повторного использования лопасти ветряных мельниц обычно вывозятся на свалки (в США) или сжигаются (в ЕС).Последний подход не менее неустойчив, поскольку сжигание лопастей лишь частично уменьшает количество материала, подлежащего захоронению (60% лома остается в виде золы), а остальное превращает в загрязненный воздух. Кроме того, учитывая негорючесть стекловолокна, теплотворная способность лопастей настолько ограничена, что мощность может быть незначительной или вообще отсутствовать. [1-4]

    Работа с отходами - 25 лет спустя

    Большинство из примерно 250 000 ветряных турбин, находящихся в настоящее время в эксплуатации во всем мире, были установлены менее 25 лет назад, что является их расчетным сроком службы.Однако быстрый рост ветроэнергетики за последние два десятилетия вскоре отразится на отложенном, но постоянно увеличивающемся и нескончаемом количестве отходов. Например, в Европе доля установленных ветряных турбин старше 15 лет увеличивается с 12% в 2016 году до 28% в 2020 году. В Германии, Испании и Дании их доля увеличивается до 41-57%. Только в 2020 году каждая из этих стран должна будет утилизировать от 6000 до 12000 лопастей ветряных турбин. [5]

    Ветряные мельницы старого образца имели паруса, полностью сделанные из перерабатываемых материалов.Изображение: Rasbak (CC BY-SA 3.0)

    Выброшенных лопастей станет не только больше, но и больше, что отражает постоянную тенденцию к увеличению диаметра ротора. Ветровые турбины, построенные 25 лет назад, имели длину лопастей около 15-20 м, в то время как сегодняшние лопасти достигают длины 75-80 м и более. [3] Оценки, основанные на текущих показателях роста ветроэнергетики, предполагают, что композитные материалы из лопастей по всему миру будут составлять 330 000 тонн отходов в год к 2028 году и 418 000 тонн в год к 2040 году.[1]

    Это консервативные оценки, поскольку сообщалось о многочисленных отказах лопастей, а также потому, что постоянная разработка более эффективных лопастей с более высокой мощностью выработки энергии приводит к замене лопаток задолго до их предполагаемого срока службы. [1] [6] Кроме того, такое количество отходов является результатом ветряных турбин, установленных в период с 2005 по 2015 год, когда энергия ветра обеспечивала максимум 4% мирового спроса на электроэнергию. Если бы ветер обеспечивал более желательные 40% (текущего) спроса на электроэнергию, было бы от трех до четырех миллионов тонн отходов в год.

    История лопастей для ветряных мельниц

    Однако история ветроэнергетики показывает, что пластик не является важным материалом. Использование ветра для производства механической энергии восходит к античности, и первые ветряные мельницы, вырабатывающие электричество, которые теперь называются ветряными турбинами, были построены в 1880-х годах. Однако лопасти из стекловолокна стали популярны только в 1980-х годах. Примерно две тысячи лет ветряные мельницы любого типа можно было полностью утилизировать.

    Старомодные ветряные мельницы имели башни, построенные из дерева, камня или кирпича.Их «лезвия» или «паруса» обычно делались из деревянного каркаса, покрытого брезентом или деревянными досками. В более поздние века детали все чаще делали из железа, также пригодного для вторичной переработки.

    Первые ветряные турбины в Европе, построенные Полом Ла Куром в Дании, имели традиционные решетчатые деревянные паруса. Изображение: Музей Поля Ла Кура.

    Когда в восемнадцатом и девятнадцатом веках были изобретены новые типы парусов (такие как пружинные, патентные и катящиеся-рефрижераторные паруса), а также в двадцатом веке (паруса Деккеризованные и Билау), дизайн изменился, но материалы остались прежними. то же самое (со временем включая алюминий).[7] Кроме того, в отличие от современных ветряных турбин, которые необходимо регулярно и полностью заменять, старомодные ветряные мельницы могут прослужить многие десятилетия или даже столетия при регулярном ремонте и техническом обслуживании.

    Первая ветряная турбина в США, построенная Чарльзом Ф. Брашем, имела кольцевой парус диаметром 17 м со 144 тонкими лопастями из кедрового дерева. Первая ветряная турбина в Европе, построенная Полем Ла Куром в Дании, имела четыре традиционных реечных деревянных паруса с диаметром ротора 22.8 мес. Дизайн La Cour был скопирован местными предприятиями в Дании, в результате чего тысячи ветряных турбин работали на датских фермах между 1900 и 1920 годами. Десятки экспериментальных ветряных турбин были построены в первой половине двадцатого века, в том числе некоторые со стальными лопастями, например ветряная турбина Смита-Патнэма 1939 года в США. [8]

    Трехлопастная ветряная турбина Gedser опиралась на надстройку воздушной рамы для придания жесткости лопастям.

    В 1957 году Йоханнес Юул - ученик Поля Ла Кура - построил трехлопастный ветряк Gedser.Он имел диаметр ротора 24 м и опирался на надстройку воздушной рамы из стальных тросов для упрочнения ротора и лопастей. Лопасти были построены из стальных лонжеронов с алюминиевыми кожухами, поддерживаемыми деревянными нервюрами.

    Турбина Гедсера оставалась самой успешной ветряной турбиной до середины 1980-х годов. Он проработал 11 лет без обслуживания, вырабатывая до 360 000 кВтч в год, но не ремонтировался из-за выхода из строя подшипника. Когда турбина была отремонтирована и испытана в конце 1970-х годов, она работала лучше, чем первые ветряные турбины с лопастями из стекловолокна.[8-9]

    Размер имеет значение

    Первая ветряная турбина с лопастями из стекловолокна была установлена ​​в 1978 году в Дании, где она питала школу. Турбина Tvind с диаметром ротора 54 м была в то время самой большой ветряной турбиной из когда-либо построенных. После 1980 года лезвия из стекловолокна стали стандартом в Дании, а «датский дизайн» позже был скопирован во всем мире. Кажется, что пластиковая лопасть - вот что отличает современный ветряк. Это ставит нас перед дилеммой.

    Переход на лопасти из стекловолокна в основном был вызван желанием построить более крупные ветряные турбины. Более крупные ветряные турбины снижают стоимость киловатт-часа вырабатываемой электроэнергии по двум причинам: ветер усиливается с высотой, а удвоение радиуса ротора увеличивает выходную мощность в четыре раза. Желание построить более крупные ветряные турбины с тех пор движет ветроэнергетикой. Диаметр ротора увеличился примерно с 50 м в 1990-х годах до 120 м в 2000-х годах. Сегодня самые большие оффшорные ветряные турбины имеют диаметр ротора более 160 м, а турбина мощностью 12 МВт с диаметром ротора 220 м строится в Нидерландах.[3] [6] [10]

    Улучшенная лопасть ветряной мельницы 1940-х годов, построенная и спроектированная П.Л. Фауэль. Изображение: Rasbak (CC BY-SA 3.0)

    Однако с увеличением размера увеличивается и масса лопасти ротора, что требует более легких материалов. В то же время более крупные лопасти отклоняются сильнее, поэтому их структурная жесткость приобретает все большее значение для поддержания оптимальных аэродинамических характеристик и предотвращения удара лопасти о башню. Короче говоря, более крупные ветряные турбины с более длинными лопастями предъявляют все более высокие требования к используемым материалам, и они превышают возможности вторичного сырья.[11-12] Ветровые турбины стали более эффективными, но также менее устойчивыми.

    В настоящее время эта тенденция иллюстрируется все более широким использованием пластика, армированного углеродным волокном, который даже прочнее, жестче и легче, чем пластик, армированный стекловолокном. [11] Использование углеродных волокон, что еще больше усложняет потенциальную переработку, стало стандартом для самых больших лопастей ветряных турбин, в основном в местах с высокой нагрузкой, таких как основание лопасти или крышки лонжеронов. Следовательно, мы снова вступили в новую эру, в которой лезвия теперь настолько велики, что их уже нельзя изготавливать только из композитов, армированных стекловолокном.

    Новое изобретение лезвия ветряной мельницы

    Отрасль, которая называет себя устойчивой и возобновляемой, не может отправлять миллионы тонн пластиковых отходов на свалки каждый год. Следовательно, можем ли мы вернуться к созданию лопастей ветряных турбин только из вторсырья? И насколько больших мы сможем их построить? В какой степени можно согласовать эффективность и устойчивость?

    Улучшенная лопасть ветряной мельницы 1930-х годов, разработанная Куртом Билау. Башня каменная, паруса - из дерева и алюминия.Изображение: Фрэнк Винсент (CC BY-SA 3.0).

    Большинство исследований в области разработки более экологичных лопастей ветряных турбин основано на пластике в качестве основного материала. Термопласты можно плавить и повторно использовать, что позволяет переработать лопасти в новые лопасти ветряных турбин даже на месте. Однако из-за более низкой прочности и жесткости материала эти лопасти на данный момент не производятся крупнее 9 м. [1] [13]

    Еще одна область развития - замена древесных или льняных волокон стекловолокном.Эти лезвия могут быть больше, но они имеют лишь небольшие преимущества в устойчивости по сравнению с лезвиями из стекловолокна и эпоксидной смолы. [14-15] Эпоксидная смола на нефтяной основе более вредна, чем стекловолокно, а композитные материалы на основе натурального волокна поглощают ее больше. [16-17] [12]

    Небольшая ветряная турбина с прочными деревянными лопастями и башней. Изображение: InnoVentum.

    Некоторые инженеры и ученые идут разными путями и возвращаются к более традиционным деревянным конструкциям. Для небольших ветряных турбин лопасти могут быть вырезаны из массива дерева.Для более крупных ветряных турбин лопасти могут состоять из полой аэродинамической оболочки и внутреннего каркаса из нервюр и стрингеров, поддерживаемых балкой, называемой лонжероном, - все они построены из клееных деревянных панелей, балок и панелей.

    Брус клееный

    Ламинированный шпон, в котором древесина снимается с дерева, а затем снова склеивается тонкими слоями, представляет собой древесный продукт, появившийся в 1980-х годах и обладающий важным преимуществом по сравнению с компонентами из массивной древесины.Консистенция древесины может варьироваться в пределах одного дерева. Поэтому длина деревянных лонжеронов, используемых в доиндустриальных ветряных мельницах, была ограничена из-за наличия больших стволов деревьев постоянного качества.

    Самая большая из когда-либо построенных традиционных ветряных мельниц - мельница Мерфи 1900 года в Сан-Франциско - имела диаметр ротора 35 м. Напротив, процесс облицовки распространяет дефекты, такие как сучки, обеспечивая лучшие и более предсказуемые свойства жесткости. Это позволяет изготавливать деревянные лопасти большего размера.[12]

    Патентные паруса с передними кромками Dekker, 1940-е годы. Изображение: Reboelje.

    Древесно-слоистые пластики обеспечивают существенное снижение стоимости и веса по сравнению со стекловолокном. Хотя прочность и жесткость ниже, большая часть нагрузки, которую должно выдерживать лезвие, является следствием его собственного веса, поэтому деревянное лезвие не обязательно должно быть таким же прочным, как лезвие из стекловолокна. [12] Тем не менее, низкая жесткость древесины затрудняет ограничение упругих прогибов для очень больших лопастей ротора.

    В исследовании 2017 года ветряной турбины мощностью 5 МВт с лопастями длиной 61,5 м, проведенном в UMassAmherst в США, было подсчитано, что для того, чтобы быть достаточно жесткой и выдерживать нагрузки, которым она подвергается, лопасть, сделанная из клееного деревянного шпона. панели будут на 2,8 тяжелее пластикового полотна (48 против 17 тонн) и будут иметь толщину ламината более 50 см. [12] Хотя это говорит о том, что технически возможно построить деревянное полотно длиной более 60 м, это не очень практично. С более тяжелыми лопастями ветряная турбина должна быть намного прочнее, что увеличивает затраты и использование ресурсов.

    Меньшие ветряные турбины?

    Есть два способа решить эту проблему. Во-первых, лопасть должна быть изготовлена ​​в основном из клееного бруса, но усилена лонжеронами из углеродного композита и покрыта внешним слоем из композитного стекловолокна. В вышеупомянутом исследовании было обнаружено, что такая гибридная лопатка из дерева и углерода является достаточно жесткой, чтобы достигать длины 61,5 м для турбины мощностью 5 МВт, и может быть изготовлена ​​на 3 тонны легче, чем лопатка из стекловолокна. [12] Другое исследование лезвия из дерева и углерода такой же длины пришло к аналогичному выводу, хотя в этом случае лезвие из дерева и углерода немного тяжелее пластикового.[14]

    Лезвия дерево-углерод содержат меньше пластикового композитного материала, и пластик не переплетается с деревом на всем протяжении лезвия, а четко отделен от него, что делает повторное использование лезвия, переработку или сжигание более привлекательным. Однако, согласно упомянутым выше исследованиям, древесно-углеродная лопасть по-прежнему содержит от 2,5 тонн [14] до 6,2 тонны [12] пластиковых композитов, а это означает, что трехлопастная ветряная турбина мощностью 5 МВт будет производить от 7,5 до 18,4 тонн не перерабатываемых отходов. - по сравнению с 50 тоннами для обычного отвала.

    Лопасть из клееного дерева с карбоновыми лонжеронами. Источник: [14]

    Ущерб окружающей среде, нанесенный углеродно-эпоксидными лонжеронами, можно рассматривать как приемлемый по сравнению с более значительными повреждениями, наносимыми лопастями обычных ветряных турбин. Однако проблема отходов не будет решена, и дальнейший рост ветроэнергетики по-прежнему приведет к еще большему потоку отходов.

    В качестве альтернативы, мы могли бы определить устойчивость в более амбициозных терминах и снова построить лопасти ветряных турбин полностью из дерева - даже если это означает, что нам придется строить их меньше.Есть еще один аргумент, чтобы поставить под сомнение нашу ориентацию на эффективность: снижение устойчивости проявляется не только в лезвиях. Другие части ветряных турбин также все чаще изготавливаются из пластиковых композитов - в первую очередь, носовой обтекатель и крышка гондолы (кожух, который защищает трансмиссию и вспомогательное оборудование от элементов). [1-4]

    Другими тенденциями являются более широкое использование электроники, которая не подходит для вторичной переработки, и генераторов с постоянными магнитами на основе редкоземельных материалов, которые экономят затраты по сравнению с механическими редукторами, но только за счет более разрушительной добычи.Ветровые турбины большего размера также убивают больше птиц и летучих мышей. [19]

    Пожертвовав некоторой эффективностью, мы могли бы многого добиться в обеспечении устойчивости. Сторонники ветроэнергетики могут не согласиться, потому что это сделает ветроэнергетику менее конкурентоспособной по сравнению с ископаемым топливом. Однако более дорогой ветровой энергии всегда можно противодействовать более высокими ценами на ископаемое топливо. Что действительно проблематично, так это то, что мы выбрали дешевое ископаемое топливо в качестве ориентира для определения жизнеспособности энергии ветра. Именно стремясь конкурировать с ископаемым топливом - и, таким образом, стремясь обеспечить энергией образ жизни, основанный на ископаемом топливе, - ветровые турбины становятся все более опасными для окружающей среды.Если бы мы снизили спрос на энергию, меньшие и менее эффективные ветряные турбины не были бы проблемой.

    Первая ветряная турбина в США, построенная Чарльзом Ф. Брашем, имела кольцевой парус диаметром 17 м со 144 тонкими лопастями из кедрового дерева.

    Насколько велики мы могли бы построить практичные лопасти ветряных турбин только из клееного бруса? Никто не знает. Я спросил Рэйчел Кох, ученого, которая рассчитала требования для лопасти длиной 61,5 м, состоящей только из дерева, но она не смогла мне помочь: «Я прогнала модель только для лопаток турбины мощностью 5 МВт.Гипотетически можно было бы провести еще одно исследование, чтобы ответить на ваш вопрос, но это непростая задача ». Она также отмечает, что с помощью производственных инноваций можно еще больше улучшить жесткость деревянных ламинатов.

    Лес ветряных турбин

    Выбираем ли мы большие лопасти из древесного угля или меньшие лопасти только из дерева, в обоих случаях мы могли бы также построить башню и кожух гондолы из клееных деревянных изделий. В 2012 году немецкая компания TimberTower построила башню из клееного дерева высотой 100 м за 1 кв.ВЭУ мощностью 5 МВт. Деревянная башня кажется неуместной, потому что она заменяет часть ветряной турбины, которую уже можно полностью переработать. Однако ветряная турбина, конструкция которой почти полностью сделана из дерева, дает дополнительные преимущества.

    Иллюстрация: Ева Микель для журнала Low-tech Magazine

    Древесина может сделать производство ветряных турбин полностью независимым от добываемых материалов и ископаемого топлива, за исключением зубчатых передач и электрических компонентов (но дальнейшие выгоды могут быть достигнуты, когда это возможно, за счет использования энергии ветра для прямого механического или прямого производства тепла) .[18] Кроме того, деревянные ветряные турбины могут стать поглотителем углерода, улавливая CO2 из атмосферы в свои древесные компоненты.

    Наконец, пространство между ветряными турбинами на ветряной электростанции, которое не подходит в качестве жилого района, следует использовать для выращивания леса, который станет древесиной для ветряных турбин следующего поколения. Пиломатериалы можно распиливать, обрабатывать и собирать на месте, что исключает потребление энергии, связанное с транспортировкой деталей ветряных турбин. Энергия, необходимая для производства ламината и строительства турбин, может поступать от ветряных мельниц, а также от лесной биомассы.Деревянная ветряная турбина может стать хрестоматийным примером экономики замкнутого цикла.

    А как насчет солнечных батарей?

    В следующей статье исследуется устойчивость солнечных панелей. Являются ли токсичные и не перерабатываемые отходы присущими солнечной фотоэлектрической энергии? Можно ли построить солнечные панели из экологически чистых материалов? И что это будет означать для доступности и эффективности солнечной энергии?

    Крис Де Декер


    Артикул: [1] Рамирес-Техеда, Катерин, Дэвид А.Тюркотт и Сара Пайк. «Неустойчивые методы утилизации лопастей ветряных турбин в Соединенных Штатах: аргументы в пользу политического вмешательства и технологических инноваций». НОВЫЕ РЕШЕНИЯ: Журнал политики в области окружающей среды и гигиены труда 26.4 (2017): 581-598. [2] Уилберн, Дэвид Р. Энергия ветра в США и материалы, необходимые для наземных ветряных турбин с 2010 по 2030 год. Министерство внутренних дел США, Геологическая служба США, 2011. [3] Дженсен, Джонас Паг. «Оценка воздействия утилизации ветряных турбин на окружающую среду.”Энергия ветра 22.2 (2019 г.): 316-326. [4] Мартинес, Эдуардо и др. «Оценка жизненного цикла ветряной турбины мощностью в несколько мегаватт». Возобновляемая энергия 34,3 (2009): 667-673. [5] Зиглер, Лиза и др. «Продление срока эксплуатации наземных ветряных турбин: обзор, охватывающий Германию, Испанию, Данию и Великобританию». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики 82 (2018): 1261-1271. [6] Lefeuvre, Anaële, et al. «Прогнозирование используемых запасов полимеров, армированных углеродным волокном, и связанных с ними потоков отходов, создаваемых коммерческим авиационным сектором до 2050 года.Ресурсы, сохранение и переработка 125 (2017): 264-272. [7] Де Деккер, Крис. «Ветряные электростанции: история (и будущее) промышленных ветряных мельниц». Журнал Low-Tech. Барселона (2009). [8] Расцвет современной ветроэнергетики: энергия ветра для мира. Пэн Стэнфорд Паблишинг, 2013. [9] Лундсагер, П., Стен Тронес Франдсен и Карл Йорген Кристенсен. «Анализ данных ветряной турбины Gedser 1977-1979 гг.» (1980). [10] Гупта, Ашвани К. «Эффективное преобразование энергии ветра: эволюция к современному дизайну.”Журнал технологий энергоресурсов 137,5 (2015): 051201. [11] Brøndsted, Povl, Hans Lilholt и Aage Lystrup. «Композиционные материалы для лопаток ветряных турбин». Анну. Rev. Mater. Res. 35 (2005): 505-538. [12] Ко, Рэйчел. «Лопасти ветряных турбин на биологической основе: возобновляемые источники энергии и экологически чистые материалы для экологически чистой энергии». (2017). [13] Мюррей, Робинн и др. Изготовление 9-метровой лопасти ветряной турбины из термопластичного композита. № NREL / CP-5000-68615. Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL), Голден, Колорадо (США), 2017.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *