Как работает ветряная турбина

В зависимости от доступных ветровых ресурсов турбина может снизить счета за электроэнергию на 50–90%, помочь избежать высоких затрат на подведение линий электропередачи к удалённым местам, предотвратить перебои в подаче электричества и, самое главное, является экологически чистым решением.

В этой статье мы познакомимся с основами ветровых турбин – их типами, размерами, эффективностью, преимуществами и недостатками, принципом работы, установкой, обслуживанием и скользящими кольцами. Каждый раздел содержит описание исследований и всесторонний анализ рассматриваемых тем.

Ветровые турбины требуют стабильной передачи энергии и сигнальных данных от гондолы до системы управления лопастями. Скользящие кольца обеспечивают производительность и надёжность, необходимые в сложных условиях окружающей среды.

Дорогие простои ветровых турбин можно сократить, используя щётки из волокон и прочные материалы в конструкции скользящих колец.

Преимущества скользящих колец:

• Могут работать при различных температурах
• Отличаются высокой надёжностью
• Не требуют регулярного обслуживания
• Не требуют смазки
• Вырабатывают минимальные загрязнения при износе

Что такое ветряная турбина?

Ветряные турбины — это современная модификация традиционных ветряков, популярных в XIX веке. Их цель — уменьшить зависимость от ископаемого топлива и производить энергию возобновляемым и экологически чистым способом.

Факты о ветряных турбинах

Ветровые турбины используют кинетическую энергию ветра, которая вращает лопасти, приводящие в движение двигатель, преобразующий кинетическую энергию в механическую, а затем — в электрическую.

Проще говоря, турбина работает наоборот по сравнению с вентилятором: вместо того чтобы использовать электричество для перемещения воздуха, она использует ветер для выработки электричества.

Применение ветряных турбин

На протяжении веков люди использовали силу ветра — от ветряных мельниц в Нидерландах до ранчо в США, где они использовались для перекачки воды и помола зерна. Сегодня их современная форма — ветряная турбина — производит электроэнергию.

Турбины устанавливаются на башнях, чтобы захватывать больше кинетической энергии. На высоте 30 метров ветер сильнее и стабильнее. Обычно турбина имеет 2–3 лопасти, образующие ротор.

Лопасти работают как крылья самолёта — разница давления над и под ними вызывает вращательное движение, которое приводит в действие генератор.

Турбины могут работать автономно (off-grid) или быть подключены к электросети. В промышленности строятся целые ветропарки, поставляющие энергию в сеть.

Возобновляемая энергия ветра

Ветровая энергия — один из наиболее быстро развивающихся источников возобновляемой энергии. Установленная мощность в мире выросла с 7,5 ГВт в 1977 году до 574 ГВт в 2018 году.

В период 2009–2013 гг. производство энергии ветра удвоилось, а в 2016 году составляло 16% всей возобновляемой энергии.

Современные турбины достигают мощности от 2 МВт (на суше) до 5–8 МВт (в море).

Факторы, влияющие на производство энергии ветра

Наиболее важные факторы:

• скорость ветра,
• плотность воздуха,
• диаметр лопастей.

Более высокая скорость ветра = больше энергии. Однако слишком сильный ветер может повредить турбину, поэтому используются предельные значения скорости (cut-in и cut-out).

Более плотный воздух (холодный, под большим давлением) обеспечивает более высокую эффективность.

Большие лопасти улавливают больше энергии, но требуют больше места и более сильных ветров.

Что происходит, когда ветра нет?

Турбины производят энергию только при ветре. Когда ветер стихает, энергию поставляют другие источники — например, газ или гидроэнергия. Нет источника энергии, который бы работал без перерывов — даже атомные электростанции иногда простаивают. Поэтому энергия ветра лучше всего сочетается с гидроэнергией.

Основные части ветряной турбины

• Фундамент – соединяет башню с основанием, обычно выполнен из железобетона.
• Башня – самая большая и тяжёлая часть (50–150 м в высоту). Чем выше, тем лучше ветровые условия.
• Ротор – собирает энергию ветра и передаёт её в приводную систему.
• Гондола – содержит редуктор, вал и генератор. Поворачивается, чтобы направить турбину по ветру.

Внутренние компоненты турбины

• Анемометр – измеряет скорость ветра.
• Лопасти – движутся под действием ветра.
• Тормоза – останавливают ротор в случае аварии.
• Контроллер – включает и выключает турбину в зависимости от скорости ветра.
• Редуктор – увеличивает скорость вращения с 30–60 об/мин до 1000–1800 об/мин.
• Генератор – производит электрическую энергию.
• Валы низкой и высокой скорости – передают мощность от лопастей к генератору.
• Система поворота (yaw) – ориентирует турбину по направлению ветра.

Типы, размеры и эффективность ветряных турбин

Типы турбин

С горизонтальной осью (Horizontal Axis Turbines) – наиболее распространённые, лопасти направлены по ветру.

• Наземные (On-shore)
• Морские (Off-shore)
• Прибрежные (Near-shore)

С вертикальной осью (Vertical Axis Turbines) – вертикальные лопасти, все элементы расположены у земли.

• Дарье (Eggbeater)
• Гиромилл
• Савониус
• Twisted Savonius

Канальные турбины (Ducted Turbines) – устанавливаются на краях зданий, используют поток воздуха вдоль стен.

Размеры турбин

Ветровые турбины можно разделить на три основные группы по мощности, диаметру ротора и высоте башни:

Домашние турбины имеют мощность до 20–50 кВт, диаметр ротора от 1 до 15 метров и высоту башни от 15 до 40 метров. Используются в домах, фермерских хозяйствах или небольших объектах обслуживания, где могут покрывать значительную часть потребности в электроэнергии.

Турбины средней мощности достигают от 50 кВт до 1 МВт, при диаметре ротора 15–50 метров и высоте башни 30–80 метров. Применяются в небольших ветропарках, промышленных предприятиях и на территориях со средними ветровыми ресурсами.

Коммерческие турбины имеют мощность от 1 МВт до более 10 МВт, диаметр ротора от 80 до 180 метров и высоту башни до 150 метров. Такие установки применяются в крупных ветропарках — как наземных (onshore), так и морских (offshore) — и подключаются напрямую к электросети.

Эффективность турбин

Эффективность — это отношение полученной энергии к доступной. Теоретический максимум — предел Беца — 59,3%, а на практике турбины достигают около 80% этого значения.

Преимущества и недостатки ветряных турбин

Преимущества горизонтальных турбин

• Стабильность благодаря положению центра тяжести
• Регулируемые лопасти (pitch control)
• Высокие башни — доступ к стабильным ветрам

Недостатки

• Высокие расходы на транспортировку и установку
• Сложное обслуживание
• Помехи радарам

Преимущества вертикальных турбин

• Дешёвое обслуживание
• Простая установка
• Не требуют ориентации по направлению ветра

Недостатки

• Меньшая эффективность
• Трудный запуск
• Работают только при сильном ветре

Преимущества канальных турбин

• Минимальное визуальное воздействие
• Установка на крышах
• Производство энергии на месте

Недостатки

• Подходят только для высоких зданий
• Требуют тщательных предварительных исследований

Как работают ветряные турбины

1. Ветер вращает лопасти.

2. Лопасти приводят в движение вал и редуктор.

3. Редуктор увеличивает скорость вращения.

4. Генератор преобразует механическую энергию в электрическую.

5. Анемометр и флюгер контролируют условия.

6. Система поворота ориентирует турбину по ветру.

7. Энергия поступает в трансформатор, а затем в сеть.

Установка ветряных турбин

Этапы установки:

1. Подготовка фундамента

2. Р рытьё кабельных траншей

3. Строительство башни и монтаж турбины

4. Прокладка кабелей и подключение инвертора

5. Подключение к сети

6. Финальные тесты и запуск

Обслуживание турбин

Регулярная смазка продлевает срок службы компонентов.

Современные системы автоматической смазки снижают затраты и риск поломок.

Будущее ветряных турбин

Ветровая энергия — один из самых перспективных способов сокращения выбросов CO₂.

Особенно активно развивается морская ветроэнергетика (offshore).

Проводятся исследования по созданию малых переносных турбин для домашних хозяйств.

Вывод

Ветровая энергия — это чистый и возобновляемый источник, набирающий популярность благодаря современным технологиям и снижению стоимости.

Несмотря на некоторые проблемы (например, столкновения птиц, шум, визуальное воздействие), инновации, такие как безлопастные турбины, могут их решить.

Такие элементы, как скользящие кольца, играют ключевую роль в надёжной работе ветряных турбин, а их правильный выбор значительно влияет на долговечность и эффективность всей системы.