Как работают ветряные турбины

Ветер - это форма солнечной энергии. Ветры вызваны неравномерным нагревом атмосферы солнцем, нерегулярной структурой поверхности земли и ее вращением. Траектории потока ветра измененяются ландшафтом земли, массами воды и растительностью. Люди используют ветер или энергию его движения во многих целях: для парусного спорта, запуска бумажного змея и даже для производства электроэнергии. Термины «энергия ветра» и «мощность ветра» описывают процесс использования ветра для генерации механической энергии или электричества. Ветряные турбины (ветрогенераторы) преобразуют кинетическую энергию ветра в механическую, которая может быть использована для ряда специфических задач, таких, как размол зерна или перекачивание воды.

Так как же ветряные турбины производят электричество? Попросту говоря, ветряная турбина работает противоположно вентилятору. Вместо того, чтобы использовать электричество, чтобы создавать ветер, как вентилятор, ветрогенераторы используют ветер, чтобы производить электричество. Ветер поворачивает лопасти, которые вращают вал, соединенный с генератором, производящим электроэнергию.

Этот вид сверху на «завод энергии ветра» показывает, как группа ветрогенераторов может производить электроэнергию для потребительских сетей. Через линии передачи и распределения она поступает в дома, предприятия, школы и так далее.

Типы ветряных турбин

Современные турбины разбиваются на две основных группы: горизонтально-осевые и вертикально-осевые, похожие на «взбивалки» модели Darrieus, названной в честь ее французского изобретателя. Горизонтально-осевые турбины, в типичном случае, имеют две или три лопасти. Эти трехлопастные турбины работают «против ветра», с лопастями, смотрящими на ветер.


*Горизонтально-осевая турбина*	*Вертикально-осевая турбина*

Турбина GE Wind Energy мощностью 3.6 мегаватта – одна из крупнейших среди когда-либо устанавливавшихся:

Турбины большего размера более эффективны. И в ценовом отношении тоже.

Размеры ветряных турбин

Диапазон размеров турбин «сервисного» масштаба простирается от 100 киловатт до нескольких мегаватт. Большие турбины группируются вместе в «ветряные фермы», которые осуществляют оптовые поставки электроэнергии в электросети.

Небольшие одиночные турбины мощностью ниже 100 кВт используются для электроснабжения домов, телекоммуникационных антенн или питания водоперекачивающих насосов. Маленькие турбины иногда применяются в комплексе с дизельными генераторами, аккумуляторами и солнечными батареями. Эти системы называют «гибридными ветровыми системами» и находят применение в отдаленных местах, где подключение к электрической сети невозможно.

Внутри ветряной турбины

Anemometer	Анемометр	Измеряет скорость ветра и передает данные скорости контроллеру.
Blades	Лопасти	Большинство турбин имеет или две или три лопасти. Ветер, проходящий сквозь лопасти, заставляет их «взлетать» и вращаться.
Brake	Тормоз	Дисковый тормоз, с механическим, электрическим или гидравлическим приводом для остановки ротора в критических ситуациях.
Controller	Контроллер	Управляющий контроллер запускает машину на скоростях ветра приблизительно 8…16 миль в час и отключает машину приблизительно при 55 милях в час. Турбины не работают на скоростях ветра выше 55 миль в час, потому, что сильный ветер может их разрушить.
Gear box	Коробка передач	Механически соединяет низкоскоростной вал турбины с высокоскоростным, увеличивая скорость вращения с 30…60 оборотов в минуту, до 1000…1800 оборотов, то есть до скорости, требуемой большинству генераторов для выработки электроэнергии. Коробка передач – дорогостоящая (и тяжелая) часть ветровой турбины и инженеры исследует генераторы «прямого привода», которые работают на более низких вращательных скоростях и не нуждаются в коробках передач.
Generator	Генератор	Обычно стандартный индукционный генератор, который вырабатывает электроэнергию переменного тока частотой 60 Герц (для США).
High-speed shaft	Высокоскоростной вал	Приводит в действие генератор.
Low-speed shaft	Низкоскоростной вал	Ротор вращает этот вал со скоростью порядка 30…60 оборотов в минуту.
Nacelle	Гондола	Гондола находится наверху башни и содержит в себе коробку передач, низко- и высокоскоростной валы, генератор, управляющий контроллер и тормоз. Некоторые гондолы достаточно велики для того, чтобы на них мог сесть вертолет.
Pitch	Разворот лопастей	Лопасти Поворачивает к ветру или под углом к нему, чтобы управлять скоростью вращения ротора и препятствовать вращению при ветрах, которые слишком сильны или слишком слабы для выработки электроэнергии.
Rotor	Ротор	лопасти и ступица вместе называют ротором.
Tower	Башня	Башни сделаны из стальной трубы (показаны здесь), бетона или имеют ажурную конструкцию. Поскольку скорость ветра увеличивается с высотой, более высокие башни позволяют турбинам захватить больше энергии ветра и произвести больше электроэнергии.
Wind direction	Направление ветра	Есть так называемые турбины «против ветра», потому, что при работе они повернуты «лицом» к ветру. Другие турбины разработаны, чтобы работать с «подветренной» стороны, отворачиваясь от ветра.
Wind Vane	Флюгер	Определяет направление ветра и передает данные в управляющий контроллер для ориентации турбины в соответствии с направлением ветра.
Yaw drive	Привод гондолы	Турбины типа «против ветра» должны быть направлены на ветер и привод гондолы используется для коррекции направления ротора при изменениях направления ветра. «Подветренные» турбины не требуют привода ротора, так как ветер дует им в «спину».