Електрика "з повітря": все, що потрібно знати про будову та роботу вітряних турбін

Вітряні турбіни називають "вітряними млинами третього тисячоліття". Вони використовують повітряні потоки для виробництва цінного ресурсу: електроенергії. Про те, як вони влаштовані та як працюють, пише Фокус.

Сучасну вітряну турбіну винайшов шотландець, піонер електротехніки Джеймс Блайт 1887 року. Він побудував вітряк для освітлення свого будинку відпочинку. Форма і розмір його турбіни значно відрізнялися від сучасних. Вона була заввишки 10 м і складалася з дерев'яної вежі-триніжника, напівциліндричних вітрил із парусини та вертикального вала головного ротора. Відтоді конструкцію дещо змінили й ускладнили механізми, але принцип дії залишився колишнім, про що і йтиметься нижче.

Що таке вітряна турбіна

Вітряна турбіна, або вітрогенератор — це пристрій, що перетворює кінетичну енергію вітру (природного та поновлюваного джерела) на електрику. Тоді як вентилятор використовує електрику для створення вітру, вітряна турбіна функціонує протилежно: вона використовує вітер для виробництва електроенергії, пише Enel Green Power.

Що вища турбіна, то сильніший вітер, оскільки на його шляху менше перешкод. Лопаті турбіни, які схожі на пропелери літака, використовують аеродинамічну силу вітру для обертання ротора, який, у свою чергу, обертає генератор. Завдяки саме цьому процесу і виробляється електроенергія, яка потім подається в мережу.

Вітряні турбіни, що передають електроенергію в мережу, базуються або на суші, або на морі. Конгломерації вітряних турбін відомі як вітрові електростанції. У 2022 році на частку вітряної енергії припадало 7,33% світового виробництва електроенергії, та ця цифра зростає з кожним роком.

Популярність вітряної енергії зумовлена тим, що, на відміну від електроенергії, яка виробляється з викопного палива, вона не забруднює довкілля.

Як і більшість видів складної техніки, вітряки необхідно оглядати, очищати від сміття, змащувати, наносячи консистентне мастило або мастило, і ремонтувати.

Типи вітряних турбін

Є два основних типи вітряних турбін: з горизонтальною віссю і з вертикальною, повідомляє Energy Follower.

Горизонтально-осьові вітряні турбіни

Горизонтально-осьові вітряні турбіни (HAWT) є найпоширенішим і найефективнішим типом турбін. Вони, як правило, мають три лопаті та працюють "проти вітру", це означає, що лопаті звернені до вітру. Це пов'язано з тим, що голівка HAWT може повертатися завдяки системі управління нишпоренням (про це ми розповімо нижче. — Ред.). Основні компоненти (наприклад, генератор) розташовані у верхній частині установки.

Вітряні турбіни з вертикальною віссю обертання

Як випливає з назви, вітрогенератори з вертикальною віссю обертання (VAWT) мають вертикальний вал ротора, а їхній зовнішній вигляд значно відрізняється від HAWT.

VAWT є всеспрямованими, тому їх не потрібно налаштовувати для того, щоб вони були звернені до вітру: це може бути перевагою в місцях, де напрямок вітру дуже мінливий. Однак вони відносно рідкісні, оскільки менш ефективні з погляду опору повітря. Основні компоненти розташовані біля їхньої основи.

Основні компоненти вітряної турбіни

Пристрої складаються з кількох компонентів, про які детально розповіло видання Wind Power Plus.

Фундамент. Це великий, важкий структурний блок з бетону, який підтримує всю конструкцію і сили, що діють на неї. У морських турбінах фундамент розміщується під водою.

Вежа виготовляється зі сталі, хоча дерево (воно, як правило, вважається менш шкідливим для навколишнього середовища) також може використовуватися. Конструкція складається з трьох секцій і збирається на місці. Її висота варіюється, але зазвичай вона збігається з діаметром кола, яке створюють лопаті під час обертання. Вежа також містить силові кабелі, що з'єднують гондолу з трансформатором на землі.

Гондола розташована нагорі вежі та може повертатися на 360° навколо своєї осі залежно від напрямку вітру. Вона названа на честь частини крила літака, в якій розташовані реактивні двигуни. У ній розміщені основні механічні елементи: коробка передач і генератор.

Ротор і маточина. Ротори з двома лопатями дешевші та швидші, ніж трилопатеві, але вони також гучніші та вібрують. Як і у випадку з пропелерами на літаку, маточина — це ніс, лопаті прикріплені до неї, а вона, зі свого боку, з'єднана з механічними частинами в гондолі, розташованій за нею.

Лопаті розташовані зверху турбіни. Середня довжина становить 52 м. Вітер зменшує тиск повітря з одного боку лопаті, а різниця з іншого створює як підйомну силу, так і опір: коли підйомна сила сильніша за опір, ротор буде обертатися.

Як будуються вітрогенератори

Процес будівництва складний і вимагає як координації, так і точності, йдеться в матеріалі Earth Eclipse. Виготовляють різні компоненти, а потім їх привозять на місце встановлення. Спочатку необхідно зібрати вежу, після чого на неї поміщають гондолу та її вміст, а потім — лопаті. Нарешті, але не в останню чергу, встановлюють розподільний щит і електричну систему.

Процес досить простий. Ротор приводить у дію вітер. Його обертання передається на вхідний вал, який живить електрогенератор. Ця так звана система управління рисканням дає змогу позиціонувати гондолу залежно від напрямку вітру. Ротор починає працювати тільки за швидкості вітру понад 10 км/год, тоді як вітряна турбіна вимикається за швидкості понад 90 км/год з міркувань безпеки.

Як працює вітряк і скільки генерує енергії

Вітряні турбіни спроектовані так, щоб бути зверненими в одному напрямку. Це дає змогу максимізувати їхню ефективність у використанні енергії вітру. Таке розташування, коли лопаті турбіни звернені безпосередньо до вітру, що набігає, оптимізує захоплення кінетичної енергії, забезпечуючи ефективне перетворення на обертальний рух, який приводить у дію генератор для генерування електроенергії.

По суті, кінетична енергія вітру перетворюється ротором на механічну енергію. Редуктор прискорює повільне обертання лопатей, від 18 до 25 обертів на хвилину до 1800 обертів на хвилину, яке може живити електрогенератор. Електрогенератор перетворює механічну енергію на електрику. Трансформатор передає електрику з одного ланцюга в інший, змінюючи його характеристики.

Середня електрична потужність вітряної турбіни становить 2-3 МВт, що дає їй змогу виробляти понад 6 млн кВт*год електроенергії на рік, резюмує Enel Green Power.