Jak wiatr wieje, tak też zrobić łopatki wiatraków i turbin wiatrowych . Te masywne maszyny z łopatkami istnieją od ponad 1000 lat, a pierwsze wiatraki pojawiły się w Persji około 800 roku n.e.
Te wczesne wiatraki były używane dokładnie do tego, co sugeruje ich nazwa - były to młyny napędzane wiatrem. Wiatr obracał łopatki lub łopatki wiatraka, obracając środkowy wał, który następnie obracałby młyn zbożowy, zwykle wykonany z dużych, płaskich kamieni, do produkcji mąki i innych produktów zbożowych. Te wiatraki służyły również do innego ważnego celu - pompowania wody do miast i domów. Zamiast kręcić młynem zbożowym, obrót wiatraka mógłby posłużyć do napędzania pompy.
Podczas gdy wiatraki istnieją od wieków, turbiny wiatrowe istnieją dopiero od około 1888 roku, kiedy to pierwsza znana turbina wiatrowa stworzona do produkcji energii elektrycznej w USA została zbudowana przez wynalazcę Charlesa Brusha, aby wytworzyć energię elektryczną dla swojej posiadłości w Ohio. Turbiny wiatrowe są używane do wytwarzania energii elektrycznej z obracania się łopat, zamiast po prostu przekształcać tę energię wirującą w bardziej mechaniczną pracę, taką jak obracanie młyna lub pompowanie wody.
„Turbina wiatrowa w Stanach Zjednoczonych ma około 85 metrów wysokości, podczas gdy starszy wiatrak zazwyczaj nie przekracza 24 metrów” - mówi James Herzing, inżynier i wielokrotnie nagradzany prowadzący podcast Unprofessional Engineering , w wywiadzie e-mailowym. „Rozmiar żagli lub łopat to kolejna duża różnica. Wiatraki są tradycyjnie mierzone średnicą koła i nierzadko można zobaczyć wiatrak o długości 8 stóp (2 metry), w którym łopaty mierzone są na 8 stóp. Wiatr z drugiej strony turbiny mogą mieć pojedynczą łopatkę znacznie powyżej 30 metrów ”.
Jak działają wiatraki
Chociaż wiatraki są jednymi z najstarszych i najważniejszych maszyn dla cywilizacji i generalnie są używane do pompowania wody lub mielenia ziarna, mają pewne inne funkcjonalne różnice w stosunku do znacznie nowszej technologii turbin wiatrowych.
Łopaty wiatraka znajdują się blisko ziemi i dlatego muszą wykorzystywać prądy powietrza w pobliżu ziemi, aby się obracać. Ponieważ prądy wiatrowe są generalnie mniej blisko powierzchni Ziemi niż w wyższych atmosferach, wiatraki muszą mieć większe łopaty, aby złapać jak najwięcej wiatru.
Chociaż wiatraki istnieją mniej więcej od 800 roku n.e., ich popularność naprawdę wzrosła w połowie XIX wieku. Zapoczątkowany rewolucją przemysłową w dziesięcioleciach następujących po 1850 r., W samych Stanach Zjednoczonych zainstalowano ponad 6 milionów wiatraków mechanicznych, aby zasilać pompy i fabryki oraz zaspokajać inne potrzeby energetyczne.
Ta popularność była napędzana prostotą wiatraków jako mechanicznych generatorów energii. Po prostu ustawiając wiatrak z wieloma łopatkami w górze, można szybko uzyskać dostęp do darmowego źródła energii mechanicznej. Poprzez obracanie się łopatek ta energia rotacyjna może być wykorzystana do napędzania maszyn przez przekładnie lub do popychania i wyciągania wody z ziemi za pomocą prostych pomp wodnych z ssawką.
W miarę upowszechniania się wiatraków we współczesnym przemyśle, opracowywano i udoskonalano także inny wynalazek: generator.
Zamiast używać wiatraka tylko wtedy, gdy wiał wiatr, generator pozwalałby na magazynowanie energii obrotowej poprzez przekształcanie jej w energię elektryczną. Dlatego rozwój turbin wiatrowych był kolejnym krokiem w doskonaleniu urządzeń do pozyskiwania energii wiatrowej.
Jak działają turbiny wiatrowe
Aby złapać silniejsze prądy powietrza, turbina wiatrowa sięga setki stóp wyżej w niebo niż wiatrak. Wykorzystuje te same zasady działania co wiatrak - zamienia wiatr w energię obrotową - ale to, co robi potem, jest inne. Turbiny wiatrowe mają wewnątrz generatory, zwykle bezpośrednio połączone z wirującym prętem. Obracanie generatora powoduje wytwarzanie prądu elektrycznego, który można wykorzystać do ładowania akumulatorów, zasilania sieci lub bezpośredniego zasilania urządzeń elektronicznych. Najlepszym sposobem, aby zrozumieć, jak to działa, jest rozważenie silnika , ale na odwrót . Silnik elektryczny wykorzystuje energię elektryczną do wywoływania ruchu, podczas gdy turbina wiatrowa wykorzystuje ruch do wytwarzania energii elektrycznej.
Mówiąc dokładniej, łopaty turbiny wiatrowej wychwytują energię kinetyczną - energię wytwarzaną przez ruch - wiatru i przekształcają ją w energię obrotową. Ta energia obrotowa jest następnie podawana przez szereg kół zębatych w celu zwiększenia prędkości generatora.
Turbiny te generalnie zaczynają wytwarzać energię przy prędkości wiatru od 5 do 10 mil na godzinę (od 8 do 16 kilometrów na godzinę) i wyłączają się przy dużych prędkościach w pobliżu 60 mil na godzinę (96 km / h), więc nie działają wadliwie ani nie uszkadzają się same, zgodnie z Amerykańskie Stowarzyszenie Energetyki Wiatrowej .
Chociaż turbiny wiatrowe wytwarzają energię elektryczną, nie są technicznie tak wydajne jak wiatraki. Turbiny wiatrowe mają maksymalną sprawność 59 procent, czyli tzw. Limit Betza. Wynika to z niezdolności do okiełznania całej energii wiatru i nieefektywności w przekształcaniu energii obrotowej w energię mechaniczną.
Od starożytnej technologii do przyszłej energii
Nawet przy ich nieefektywności turbiny wiatrowe są przyszłościową drogą do wykorzystywania wiatru i wytwarzania energii elektrycznej. James mówi, że „traktuje turbiny wiatrowe jako integralną część zmniejszania, a ostatecznie eliminowania naszej zależności od paliw węglowych. Typowy projekt wiatrowy zwraca swój ślad węglowy w ciągu sześciu miesięcy, zapewniając dziesiątki lat bezemisyjnej energii. W rzeczywistości niektóre kraje, takie jak Szkocja, zainwestowały już wystarczająco dużo w energię wiatrową, która może wytworzyć wystarczającą ilość energii, aby zasilić dwie Szkocje! ”
W 2018 roku wiatr wytworzył około 5 procent światowej energii elektrycznej , co czyni go drugim co do wielkości odnawialnym źródłem, zaraz po hydroenergetyce. Od pierwszego użycia wiatraka jako mechanicznego kręgosłupa wczesnej cywilizacji perskiej i chińskiej, po dzisiejsze ogromne turbiny wiatrowe, podstawowa technologia pozostanie tutaj.
Teraz to jest interesujące
Turbiny wiatrowe mają tylko trzy łopaty , aby utrzymać stały moment pędu. W przypadku trzech ostrzy, gdy jedno jest skierowane w górę, dwa skierowane w dół pod kątem doskonale równoważą siły. Gdyby turbiny wiatrowe miały więcej niż trzy łopaty, byłyby albo niestabilne, albo zbyt ciężkie, aby były wydajne.
