Рис. 1. – Компоненты ветровой турбины.
Автор: Christopher A. Badurek
Перевёл: Брухаль А.А.
Источник: Encyclopedia Britannica
Ветровая турбина, устройство, используемое для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую.
Ветровая турбина бывает разных размеров, небольшие модели используются для обеспечения электроэнергии сельских домов или хижин, а общинные модели используются для обеспечения электроэнергии небольшого количества домов в общине. В промышленных масштабах многие крупные турбины собираются в ветряные электростанции, расположенные в сельской местности или в открытом море. Термин ветряная мельница, которая обычно относится к преобразованию энергии ветра в энергию для измельчения или перекачки, иногда используется для описания ветровой турбины. Однако, термин ветряная турбина широко используется в основных ссылках на возобновляемые источники энергии.
Рис. 1. – Компоненты ветровой турбины.
Существует два основных типа ветряных турбин, используемых в реализации ветроэнергетических систем: горизонтально–осевые ветровые турбины (ГОВТ) и вертикально-осевые ветровые турбины (ВОВТ). ГОВТ являются наиболее часто используемым типом, и каждая турбина обладает двумя или тремя лопастями или диск содержащий множество лопастей (многолопастный), прикрепленных к каждой турбине. ВОВТ могут использовать ветровой поток в любом направлении и обычно изготавливаются с лопастями, которые вращаются вокруг вертикального полюса.
ГОВТ характеризуются как устройства с высокой или низкой прочностью в которых прочность относится к проценту области охвата, содержащей твердый материал. Высокомощные ГОВТ включают многолопастные типы, которые покрывают общую площадь, охваченную лопастями, с твердым материалом, чтобы максимизировать общее количество ветра, соприкасающегося с лопастями. Примером высокопрочного ГОВТ является многолопастная турбина, используемая для перекачивания воды на фермах, часто встречающаяся в ландшафтах американского Запада. Низкопрочные ГОВТ чаще всего используют две или три длинные лопасти и напоминают воздушные пропеллеры. Низкопрочные ГОВТ имеют низкую долю материала в зоне охвата, что компенсируется более высокой скоростью вращения, используемой для заполнения области охвата. Низкопрочные ГОВТ являются наиболее часто используемыми коммерческими ветряными турбинами, а также типом, чаще всего представленным в медиа-источниках. Эти ГОВТ имеют наибольшую эффективность в производстве электроэнергии и следовательно, являются одними из наиболее используемых экономичных моделей.
Менее используемые, в основном экспериментальные ВОВТ включают конструкции, которые различаются по форме и способу использования энергии ветра. Ветрогенератор с ротором Дарье ВОВТ, который использует изогнутые лопасти в изогнутом арочном дизайне, стал наиболее распространенным ВОВТ в начале XXI века. В ВОВТ типа H используются две прямые лопасти, прикрепленные к любой стороне башни в форме H, а в ВОВТ V-типа используют прямые лопасти, прикрепленные под углом к валу, образуя V-образную форму. Большинство ВОВТ не являются экономически конкурентоспособными с ГОВТ, однако интерес к исследованиям и разработкам ВОВТ сохраняется, особенно для создания интегрированных ветроэнергетических систем.
Согласно закону Бетца, максимальная мощность, которую может генерировать ветряная турбина, не может превышать 59 процентов кинетической энергии ветра. Учитывая это ограничение, ожидаемая мощность, генерируемая конкретной ветровой турбиной, оценивается по кривой мощности ветра, полученной для каждой турбины, обычно представленной в виде графика, показывающего соотношение между вырабатываемой мощностью (киловатт) и скоростью ветра (метры в секунду). Кривая мощности ветра изменяется в зависимости от переменных, уникальных для каждой турбины, таких как количество лопастей, форма лопасти, площадь охвата ротора и скорость вращения. Чтобы определить, сколько энергии ветра будет произведено от конкретной турбины в определенном месторасположении, кривая мощности скорости ветра турбины должна быть связана с распределением частоты ветра для ее участка. Частотное распределение скорости ветра представляет собой гистограмму, представляющую классы скорости ветра и частоту часов в год, которые ожидаются для каждого класса скорости ветра. Данные для этих гистограмм обычно предоставляются измерениями скорости ветра, собранными на участке, и используются для расчета количества часов, наблюдаемых для каждого класса скорости ветра.
Примерная оценка ежегодного производства электроэнергии в киловатт-часах в год на участке, может быть рассчитана по формуле, умножающей среднюю годовую скорость ветра, площадь охвата турбины, количество турбин и коэффициент производительности турбины на участке. Однако дополнительные факторы могут в несколько раз снизить ежегодные оценки производства энергии, включая потерю энергии из-за расстояния передачи, а также от полезности (то есть, насколько надежно турбина будет вырабатывать энергию, когда дует ветер). К началу XXI века большинство коммерческих ветровых турбин функционировали с более чем 90-процентной полезностью, а некоторые даже функционировали при 98-процентной полезностью.
Основная проблема размещения ветровых турбин связана с негативными воздействиями на окружающую среду, связанными с шумом, нарушением зрения и воздействием на дикую природу. Два вида шумов, связанных с турбинами – это механический шум, создаваемый оборудованием, таким как его коробка передач, и аэродинамический шум, который создается при движении воздуха сквозь лопасти. Механический шум может быть ослаблен изменением механических компонентов турбин. Аэродинамический шум, часто описываемый как «свистящий» звук, является фактором типов лопастей и скорости вращения. Тем не менее, шум ветровой турбины в децибелах не громче, чем при движении в автомобиле, и он часто сравним с ночным шумом в сельской местности. Другие проблемы включают зоны мерцания, где свет может отражаться от вращающихся лопастей и зоны электромагнитных помех, которые влияют на телевизионные и радиосигналы в непосредственной близости от турбин.
Некоторые из самых больших проблем с размещением ветряных турбин обнаруживаются в общественном восприятии их визуального воздействия и опасений относительно отдачи от инвестиций в ветровые разработки. Например, много споров окружало проект из 130 турбин на Cape Wind мощностью 468 мегаватт у берегов Массачусетса, который был одобрен для разработки в апреле 2009 года после восьмилетнего федерального обзора. Расположенный на Nantucket Sound проект привлек оппозицию, сосредоточенную на влияниях, которые ветряная ферма могла иметь на живописные виды в пределах туристических направлений и вторых домов вдоль Cape Cod.
Ветряные турбины также были связаны с убийством птиц в известных местах ветровых электростанций, таких как Altamont Pass, California. Однако, по оценкам, одна или две птицы на турбину в год погибают от ветряных турбин, причем большинство турбин в общем не оказывают никакого влияния. Однако, как сообщается, было убито гораздо большее количество летучих мышей ветровыми турбинами. Хотя точная причина этих смертельных случаев неизвестна, миграция и брачное поведение мигрирующих летучих мышей широко обсуждается и в настоящее время изучается биологами.