Как ветер дует, так и лопасти ветряных мельниц и ветряных турбин . Эти массивные лопаточные машины существуют уже более 1000 лет, а первые ветряные мельницы появились в Персии около 800 г.
Эти ранние ветряные мельницы использовались именно для того, что следует из их названия - они были мельницами, управляемыми ветром. Ветер вращал лопасти ветряной мельницы, вращая центральный вал, который затем вращал зерновую мельницу, обычно сделанную из больших плоских камней, для производства муки и других зерновых продуктов. Эти ветряные мельницы служили и другой жизненно важной цели - перекачивать воду в города и дома. Вместо того, чтобы вращать зерновую мельницу, вращение ветряной мельницы можно было использовать для привода насоса.
В то время как ветряные мельницы существуют уже много лет, ветряные турбины существуют примерно с 1888 года, когда первая известная ветряная турбина, созданная для производства электроэнергии в США, была построена изобретателем Чарльзом Брашем для выработки электричества для своего особняка в Огайо. Ветровые турбины используются для выработки электроэнергии за счет вращения лопастей, а не просто для преобразования этой энергии вращения в более механическую работу, такую как вращение мельницы или перекачивание воды.
«Ветряная турбина в Соединенных Штатах имеет высоту около 280 футов (85 метров), тогда как старая ветряная мельница обычно не достигает высоты 80 футов (24 метра)», - говорит Джеймс Херцинг, инженер и отмеченный наградами подкаст «Непрофессиональная инженерия». в интервью по электронной почте. «Размер парусов или лопастей - еще одна большая разница. Ветряные мельницы традиционно измеряются диаметром колеса, и нередко можно увидеть 8-футовую (2-метровую) ветряную мельницу, у которой 8 футов измеряется поперек лопастей. Ветер турбины, с другой стороны, могут иметь одну лопасть на глубине более 100 футов (30 метров) ».
Как работают ветряные мельницы
Хотя ветряные мельницы являются одними из самых старых и наиболее важных механизмов для цивилизации и обычно используются для перекачивания воды или измельчения зерна, они имеют некоторые другие функциональные отличия от гораздо более новой технологии ветряных турбин.
Лопасти ветряной мельницы расположены близко к земле и, следовательно, должны использовать воздушные потоки у земли, чтобы вращаться. Поскольку ветровые течения обычно меньше у поверхности Земли, чем в более высоких слоях атмосферы, ветряные мельницы должны иметь более крупные лопасти, чтобы улавливать как можно больше ветра.
Хотя ветряные мельницы существуют примерно с 800 г. н.э. или около того, они стали популярными в середине 1800-х годов. Спустя десятилетия после 1850 года, вызванные промышленной революцией, только в США было установлено более 6 миллионов механических ветряных мельниц для приведения в действие насосов и заводов, а также для удовлетворения других потребностей в энергии.
Эта популярность была обусловлена простотой использования ветряных мельниц как генераторов механической энергии. Просто установив ветряную мельницу с множеством поднятых лопаток, вы могли быстро получить доступ к бесплатному источнику механической энергии. Благодаря вращению лопастей эта энергия вращения может использоваться для привода машин через зубчатые передачи или для выталкивания и вытягивания воды из земли с помощью простых водяных штанговых насосов.
По мере того, как ветряные мельницы были популяризированы в современной промышленности, было разработано и усовершенствовано еще одно изобретение: генератор.
Вместо того, чтобы использовать ветряную мельницу только во время ветра, генератор позволит сохранять энергию вращения, преобразовывая ее в электричество. Таким образом, разработка ветряных турбин стала следующим шагом в совершенствовании устройств, использующих энергию ветра.
Как работают ветряные турбины
Чтобы поймать более сильные воздушные потоки, ветряная турбина поднимается в небо на сотни футов выше, чем ветряная мельница. Он использует те же функциональные принципы, что и ветряная мельница - превращает ветер в энергию вращения - но то, что он делает дальше, отличается. Внутри ветряных турбин есть генераторы, обычно напрямую связанные с вращающейся лопастной штангой. Вращая генератор, вырабатывается электрический ток, который можно использовать для зарядки аккумуляторов, подачи в сеть или непосредственного запуска электронных устройств. Лучший способ понять, как это работает, - рассмотреть двигатель , но наоборот . Электродвигатель использует электричество для создания движения, а ветряная турбина использует движение для производства электричества.
В частности, лопасти ветряной турбины улавливают кинетическую энергию - энергию, создаваемую движением - ветра, и преобразуют ее в энергию вращения. Эта энергия вращения затем передается через ряд шестерен, чтобы увеличить скорость генератора.
Эти турбины обычно начинают вырабатывать энергию при скорости ветра от 5 до 10 миль в час (от 8 до 16 километров в час) и отключаются на высоких скоростях около 60 миль в час (96 км в час), чтобы они не вышли из строя или не повредили себя, согласно Американская ассоциация ветроэнергетики .
Хотя ветряные турбины действительно производят электричество, они не так эффективны с технической точки зрения, как ветряные мельницы. Максимальный КПД ветряных турбин составляет 59 процентов, что называется пределом Беца. Это связано с неспособностью использовать всю энергию ветра и неэффективностью преобразования энергии вращения в механическую.
От древних технологий к энергии будущего
Даже несмотря на свою неэффективность, ветряные турбины - это способ ветроэнергетики и выработки электроэнергии будущего. Джеймс говорит, что он «рассматривает ветровые турбины как неотъемлемую часть сокращения и, в конечном итоге, устранения нашей зависимости от углеродного топлива. Типичный ветроэнергетический проект окупает свой углеродный след в течение шести месяцев, обеспечивая десятилетия энергии с нулевым выбросом. , некоторые страны, такие как Шотландия, уже вложили достаточно средств в энергию ветра, чтобы она могла производить достаточно энергии, чтобы заправить топливом две Шотландии! »
В 2018 году ветер вырабатывал примерно 5 процентов мировой электроэнергии , что делало его вторым по величине возобновляемым источником после гидроэнергетики. От первого использования ветряной мельницы в качестве механического хребта ранней персидской и китайской цивилизаций до сегодняшних массивных ветряных турбин - лежащая в ее основе технология никуда не годится.
Вот это интересно
Ветровые турбины имеют только три лопасти , чтобы их угловой момент оставался постоянным. С тремя лезвиями, когда одно направлено вверх, два направлено вниз под углом, идеально уравновешивают силы. Если бы у ветряных турбин было более трех лопастей, они были бы либо нестабильными, либо слишком тяжелыми, чтобы быть эффективными.
