Ветряная мельница устройство: Ветряная мельница — устройство, принцип работы, история, фото: Самые красивые дома

Содержание

Ветряная мельница — устройство, принцип работы, история, фото: Самые красивые дома

Ветряная мельница – это мельница, преобразующая энергию ветра в энергию вращения с помощью лопастей называемых парусами, в отличие от водяной мельницы, использующей энергию потока воды. Много веков назад, ветряные мельницы, как правило, использовались для измельчения зерна, в качестве привода для водяного насоса либо для выполнения обеих задач. Большинство современных ветряных мельниц имеют форму ветровых турбин и используются для выработки электроэнергии; ветряные насосы используются для перекачки воды, осушения земель или выкачивания подземных вод.

Ветряные мельницы в древности

Ветряная мельница греческого инженера Герона Александрийского, изобретенная в первом веке нашей эры, является наиболее ранним примером использования энергии ветра для приведения в движения механизма. Другим примером древней ветрового привода является молитвенное колесо, используемое в Тибете и Китае в начале 4 века.

Также есть сведения, что в Вавилонской империи Хаммурапи планировал использование энергии ветра для своего амбициозного проекта по орошению.

Горизонтальные ветряные мельницы

Первые запущенные в работу ветряные мельницы имели паруса (лопасти), вращающиеся в горизонтальной плоскости, вокруг вертикальной оси. По словам Ахмада аль-Хасана ветряные мельницы были изобретены в восточной Персии, персидским географом Эстакхири в девятом веке. Подлинность сведений о более раннем изобретении ветряной мельницы вторым халифом Умаром (в течение 634 — 644 годов н.э.) ставится под сомнение на основании того, что сведения о ветряных мельницах появляются лишь в документах датируемых десятым веком.

Мельницы того времени имели от шести до двенадцати лопастей покрытых тростником или тканевым материалом. Эти приспособления использовались для измельчения зерна или добывания воды, и довольно сильно отличались от более поздних европейских вертикальных ветряных мельниц.

Первоначально ветряные мельницы получили широкое распространение на Ближнем Востоке и в Центральной Азии, а затем постепенно стали популярными в Китае и Индии.

Подобный тип горизонтальной ветряной мельницы с прямоугольными лопастями, используемой для орошения, также можно найти в тринадцатом веке в Китае (во время правления династии Цзинь на севере), открытой и привезённой в Туркестан путешественником Елюем Чуцаем в 1219 году.

Горизонтальные ветряные мельницы в небольшом количестве присутствовали на территории Европы в 18-м и 19-м веках. Наиболее известными, из сохранившихся до наших дней, являются Мельница Хупера в графстве Кент и мельница Фаулера в Баттерси в окрестностях Лондона. Вероятнее всего, мельницы существовавшие на территории Европы в те времена были независимым изобретением европейских инженеров времен промышленной революции; конструкция европейских мельниц не была заимствована у восточных стран.

Вертикальные ветряные мельницы

Относительно происхождения вертикальных ветряных мельниц дебаты историков продолжаются до сих пор. Из-за отсутствия достоверных сведений невозможно ответить на вопрос являются ли вертикальные мельницы оригинальным изобретением европейских мастеров или конструкция заимствована у ближневосточных стран.

Существование первой известной мельницы в Европе (предполагается, что она была вертикального типа) датируется 1185 годом; она была расположена в бывшем селе Видли в Йоркшире в устье реки Хамбер. Помимо этого, существует ряд менее надежных исторических источников, согласно которым первые ветряные мельницы в Европе появились в 12-м веке. Первым назначением ветряных мельниц было измельчение зерновых культур.

Козловая мельница

Существуют данные, согласно которым самый ранний тип европейских ветряных мельниц носил название post mill, названный так из-за большой вертикальной детали, составляющей основную конструкцию мельничного стана.

При монтаже корпуса мельницы таким образом она получала возможность вращаться по направлению ветра; это позволяло работать более продуктивно в северо-западной Европе, где направление ветра изменяется с короткими интервалами. Основания первых козловых мельниц вкапывали в землю, что обеспечивало дополнительную опору при повороте. Позже была разработана деревянная опора получившая название эстакада (либо козлы). Она была обычно закрытой, что давало дополнительное место для хранения урожая и обеспечивало защиту во время неблагоприятных погодных условий.

Этот тип ветрянных мельниц был наиболее распространенным в Европе до девятнадцатого века, до тех пор пока мощные башенные мельницы не заменили их.

Полая (пустая) козловая мельница

Мельницы этой конструкции имели полость, внутри которой размещался приводной вал. Это давало возможность поворачивать конструкцию по направлению ветра прилагая меньше усилий, чем в традиционных козловых мельницах, а также не было необходимости поднимать мешки с зерном к высоко расположенным жерновам, так как применение длинного приводного вала позволило размещать жернова на уровне земли. Такие мельницы использовались в Нидерландах начиная с 14 века.

Башенная мельница

К концу 13 века был введен в эксплуатацию новый тип мельничной конструкции, башенная мельница. Ее основным преимуществом являлось то, что в движение приводилась только лишь верхняя часть конструкции, в то время, как основная часть мельницы оставалась неподвижной.
Широкое распространение башенных мельниц пришло с началом периода укрепления экономики, из-за необходимости наличия надежных источников энергии. Фермеров и мельников не смущала даже более высокая стоимость возведения по сравнению с другими типами мельниц.

В отличие от козловой мельницы, в башенной мельнице только крыша башенного стана реагировала на наличие ветра, это позволяло сделать основную конструкцию значительно выше, что, в свою очередь, позволяло изготовлять лопасти большего размера, благодаря чему вращение мельницы было возможно даже в условиях слабой ветрености.

Верхняя часть мельницы могла поворачиваться по направлению движения ветра благодаря наличию лебедок. Помимо этого, существовала возможность удержания крыши мельницы и лопастей по направлению к ветру благодаря наличию небольшого ветряка, устанавливаемого под прямым углом по отношению к лопастям в задней части ветряка. Данный тип конструкции получил распространение на территории бывшей Британской империи, Дании и Германии. На территории расположенной на небольшом расстоянии от Средиземного моря, башенные мельницы возводились с фиксированными крышами, так как изменение направления ветра большую часть времени было весьма незначительным.

Шатровая мельница

Шатровая мельница является усовершенствованным вариантом башенной мельницы, где каменная башня заменена деревянным каркасом обычно восьмиугольной формы (существуют мельницы с большим или меньшим количеством углов). Каркас покрывался соломой, шифером, листовым металлом либо толем. Более легкая конструкция, по сравнению с башенными мельницами, делала ветряную мельницу более практичной, позволяя возводить конструкцию в районах с нестабильной почвой. Первоначально этот тип мельниц использовали в качестве дренажной мельницы, но позже сфера использования значительно расширилась.

При возведении мельницы в застроенных районах она обычно помещалась на основание из каменной кладки, что позволяло поднять конструкцию над окружающими зданиями для лучшего доступа ветра.

Механическое устройство мельниц

Лопасти (паруса)

Традиционно парус состоит из каркаса-решётки на которой расположена парусина. Мельник может самостоятельно регулировать количество ткани в зависимости от силы ветра и необходимой мощности. В средние века лопасти представляли собой решетку на которой располагалась парусина, в то время, как в условиях более холодного климата ткань была заменена деревянными планками, что препятствовало замораживанию. Независимо от устройства лопастей, для регулировки парусов необходимо было полностью остановить мельницу.

Переломным моментом стало изобретение в Великобритании в конце восемнадцатого века конструкции, которая автоматически приспосабливалась к скорости ветра без вмешательства мельника.

Наиболее популярными и функциональными стали паруса, изобретенные Уильямом Кабиттом в 1807 году. В этих лопастях, ткань заменили механизмом соединенных затворов.

Во Франции Пьер-Теофиль Бертон изобрел систему, состоящую из продольных деревянных реек, соединенных с помощью механизма, который позволял мельнику открыть их во время вращения мельницы.

В двадцатом веке, благодаря успехам в самолетостроении значительно повысился уровень знаний в области аэродинамики, что привело к дальнейшему повышению эффективности работы мельниц немецким инженером Билау и голландскими мастерами.

Большинство ветряных мельниц имеют четыре паруса. Наряду с ними существуют мельницы оснащенные пятью, шестью или восемью парусами. Наибольшее распространение они получили в Великобритании (особенно в графствах Линкольншир и Йоркшир), Германии, и реже в других странах. Первые заводы по производству парусины для мельниц находились в Испании, Португалии, Греции, Румынии, Болгарии и России.

Мельница с четным числом парусов имеет преимущество перед другими типами мельниц, ведь при возникновении повреждения одной из лопастей, возможно удалить противоположную ей лопасть, тем самым сохранив балансировку всей конструкции.

В Нидерландах во время того, как лопасти мельницы находятся в неподвижном состоянии, их используют для передачи сигналов. Небольшой наклон парусов по направлению к главному зданию символизирует радостное событие; в то время, как наклон в противоположную от главного здания сторону символизирует скорбь. Ветряные мельницы по всей Голландии, были помещены в позиции траура в память о голландских жертвах авиакатастрофы малазийского Боинга в 2014 году.

Мельничный механизм

Шестерни внутри мельницы передают энергию от вращательного движения парусов к механическим устройствам. Паруса закреплены на горизонтальных валах. Валы могут быть полностью сделаны из дерева, дерева с металлическими элементами или целиком из металла. Тормозное колесо устанавливают на валу между передним и задним подшипниками.

Мельницы использовались для осуществления многих промышленных процессов, например для обработки семян масличных культур, выделки шерсти, покраски изделий и изготовления изделий из камня.

Распространение мельниц

Общее количество ветряных мельниц в Европе, по оценкам экспертов, достигало количества около 200 000 во времена наибольшего распространения этого типа устройств, эта цифра является довольно скромной по сравнению с приблизительно 500 000 водяных мельниц, существовавших в то же время. Ветряные мельницы получили распространение в тех регионах, где было слишком мало воды, где реки замерзали зимой и в равнинных регионах, где поток рек были слишком медленными, чтобы обеспечить требуемую мощность для работы водяных мельниц.

С приходом промышленной революции важность ветра и воды в качестве основных промышленных источников энергии снизилась; в конечном итоге большое количество ветряных мельниц и водяных колес было заменено на паровые мельницы и мельницы, оснащенные двигателями внутреннего сгорания. Вместе с тем, ветряные мельницы по прежнему оставались достаточно популярны, их продолжали строить до конца 19-го века.

В наши дни ветряные мельницы часто являются охраняемыми конструкциями, так как была признана их историческая ценность. В некоторых случаях старинные мельницы существуют в качестве статичных экспонатов (когда древние машины слишком хрупки, чтобы привести их в движение), в других случаях, как полностью рабочие экспонаты.

Из 10 000 ветряных мельниц, используемых в Нидерландах в 1850х годах, около 1000 мельниц до сих пор находятся в рабочем состоянии. Большинство ветряков в настоящее время обслуживается добровольцами, хотя некоторые мельники до сих пор работают на коммерческой основе. Многие из дренажных мельниц существуют в качестве резервного механизма для современных насосных станций. Регион Заан в Голландии был первым промышленным регионом мира в котором к концу 18 века функционировало около 600 ветряных мельниц. Экономические колебания и промышленная революция имела гораздо большее влияние на ветряные мельницы, чем на другие источники энергии, это привело к тому, что лишь немногие из них удалось сохранить до наших дней.

Строительство мельниц было распространено на территории Капской колонии в Южной Африке в 17 веке. Но первые башенные мельницы не пережили штормы на мысе полуострова, поэтому в 1717 году было решено построить более прочную мельницу. Мастера, специально присланные Голландской Ост-Индской компанией завершили строительство к 1718 году. В начале 1860х годов, Кейптаун мог похвастаться 11 мельницами.

Ветряные турбины

Ветряная турбина по сути является ветряной мельницей, структура которой специально разработана для выработки электроэнергии. Ее можно рассматривать как следующий шаг в развитии ветряной мельницы. Первые ветряные турбины были построены в конце девятнадцатого века профессором Джеймсом Блитом в Шотландии (1887 г.), Чарльзом Ф. Брашем в Кливленде, штат Огайо (1887-1888)и Полем ля Куром в Дании (1890-е). Мельница Поля ля Кура начиная с 1896 года выполняла функции электрогенератора в селе Аскове. К 1908 году насчитывалось 72 ветряных электрогенератора в Дании, с мощностью в пределах от 5 до 25 кВт. К 1930-м годам ветряные мельницы получили широкое распространение на фермах в Соединенных Штатах, где их использовали для выработки электроэнергии, в связи с тем, что еще не были установлены системы передачи и распределения энергии.

Современная ветроэнергетическая промышленность началась в 1979 году с запуска серийного производства ветровых турбин датскими производителями Kuriant, Vestas, Nordtank и Bonus. Первые турбины были небольшими по сегодняшним меркам, с мощностью 20-30 кВт каждая. С тех пор турбины коммерческого производства были значительно увеличены в размерах; Турбина Enercon E-126 способна обеспечить поступление до 7 МВт энергии.

С началом 21-го века, наблюдается рост озабоченности населения по поводу энергетической безопасности, глобального потепления и истощения ископаемого топлива. Все это в конечном итоге привело к увеличению интереса к всевозможным видам возобновляемых источников энергии и усилило интерес к ветровым турбинам.

Ветряные насосы

Ветряные насосы использовались для перекачки воды на территории современных Афганистана, Ирана и Пакистана начиная с 9-го века. Использование ветряных насосов получило широкое распространение во всем мусульманском мире, а затем распространилось на территорию современного Китая и Индии. Ветряные насосы использовались в Европе, особенно в Нидерландах и областях Восточной Англии Великобритании, начиная от Средневековья и далее, при осушении земли для сельскохозяйственных работ или для строительных целей.

Американский ветряной насос или ветряной двигатель, был изобретен Даниэлем Халадеем в 1854 году и использовался в основном для подъема воды из колодцев. Более крупные версии ветряного насоса также использовались для таких задач, как распиловка древесины, измельчение сена, шелушение и размол зерна. В Калифорнии и некоторых других штатах, ветряной насос был частью автономной системы по добыче хозяйственно-бытовой воды, которая также включала ручной колодец и деревянную водонапорную башню. В конце 19-го века стальные лопасти и башни заменили устаревшие деревянные конструкции. На пике своего развития в 1930 году, по оценкам экспертов около 600 000 ветряных насосов находились в использовании. Производством ветряных насосов занимались такие американские компании, как Pump Company, Feed Mill Company, Challenge Wind Mill, Appleton Manufacturing Company, Eclipse, Star, Aermotor и Fairbanks-Morse, со временем именно они стали основными поставщиками насосов в Северной и Южной Америке.

Ветряные насосы широко используются на фермах и ранчо в Соединенных Штатах, Канаде, Южной Африке и Австралии в наши дни. Они имеют большое количество лопастей, что позволяет им вращаться с большей скоростью при слабом ветре и замедлять движение до необходимого уровня при сильном ветре. Такие мельницы поднимают воду для нужд комбикормовых заводов, лесопильных заводов и сельскохозяйственных машин.

В Австралии компания Griffiths Brothers занимается изготовлением ветряных мельниц под названием «Southern Cross Windmills» начиная с 1903 года. В наши дни они стали незаменимой частью австралийского сельского сектора благодаря использованию воды Большого артезианского бассейна.

Ветряные мельницы в разных странах

Ветряные мельницы Голландии

В 1738 — 40 годах в голландском городке Киндердейк были построены 19 каменных ветряных мельниц для защиты низин от затопления. Ветряные мельницы перекачивали воду с территории, расположенной ниже уровня моря в реку Лек, которая впадает в Северное море. Кроме перекачивания воды, ветряные мельницы использовались для выработки электричества. Благодаря этим мельницам Киндердейк в 1886 году стал первым электрифицированным городом в Нидерландах.

Сегодня воду с отметки ниже уровня моря в Киндердейке перекачивают современные насосные станции, а ветряные мельницы в 1997 году были внесены в Список объектов мирового наследия Юнеско.

Ветряные мельнцы Испании

Ветряные мельницы Германии

Ветряные мельницы Украины

Ветряные мельницы Греции

Ветряные мельницы Бельгии

Дамме

Брюгге

Ветряные мельницы Италии

Ветряные мельницы России

Ветряная мельница, Cуздальский Музей деревянного зодчества.

Ветряные мельницы Венгрии

Ветряные мельницы Израиля

Ветряная мельница Монтефиоре в Иерусалиме была построена в 1857 году на склоне напротив западных городских стен Иерусалима. Мельница была восстановлена в 2012 году.

Ветряные мельницы: устройство, применение, изготовление

Оглавление:
Ветряные мельницы: устройство и принцип работы
Ветряная мельница своими руками: для чего она может понадобиться
Как сделать ветряную мельницу своими руками: принцип изготовления

Ветряную мельницу человек знает давно и возможности ее использования на свое благо, можно сказать, изучил досконально. Лопасти, приводимые в движение силой ветра, передают вращающий момент к различным механизмам – если раньше они крутили исключительно жернова (от чего и пошло понятие ветряная мельница), то сегодня они вращают практически все что угодно, в том числе и электрогенераторы. Но суть не в этом – на сегодняшний день ветряная мельница, или, как ее еще называют, ветряк, является экологически чистым, а главное, условно бесплатным источником энергии. Только ради этого следует ознакомиться с устройством и принципом работы ветряной мельницы – именно этим мы и займемся в данной статье вместе с сайтом moyadacha.org.

Как работает ветряная мельница фото

Ветряные мельницы: устройство и принцип работы

Ветряная мельница, как и все гениальное, работает весьма просто – если говорить понятным языком, то посредством различных механизмов вращение пропеллера, приводимого в движение ветром, передается к устройству, выполняющему ту или иную работу. Если же усложнять все это дело, то конструкцию подобных агрегатов можно представить в виде трех различных узлов, собранных в едином корпусе. Кстати, корпус может быть весьма большим и иметь практически любую форму. Разберемся с этими узлами мельницы подробнее, а заодно и изучим ее принцип работы.

Лопасти. Раньше они имели огромный размер – сегодня с развитием механики и прочих областей народного хозяйства винты ветряной мельницы могут быть весьма небольшого размера и производить при этом массу полезной работы. Вообще габариты пропеллера целиком и полностью зависят от необходимых усилий – чем больше вы хотите выжать мощность (не скорости) из ветра, тем длиннее должны быть лопасти. По этой причине мельницы, перерабатывающие зерно в муку, и оснащались такими большими лопастями – им попросту приходилось вращать тяжелые жернова, что довольно трудно. Во многом на эффективность работы мельницы оказывает влияние и форма лопастей – с появлением такой науки, как аэродинамика, и такого устройства, как аэродинамическая труба, человек разработал массу различных пропеллеров. По большому счету, существуют даже такие формы лопастей, которые при своих небольших размерах способны выполнять колоссальную работу.
Механизм ветряной мельницы фото
Система, передающая движение винта. Тут может быть много вариантов – вплоть до того, что вал, на который насажен винт, может вращать без всяких там вспомогательных шестерен рабочий механизм. Кто немного в курсе, понимает, что это не совсем правильно, так как минимум, что здесь должно быть, это редуктор, увеличивающий мощность или обороты. Ну а на счет механики и типа движения, то здесь все что угодно – вращение достаточно просто переделывается в поступательные движения и, соответственно, наоборот. Это к тому, что запустить от ветра можно практически любой агрегат.
Механизм, производящий полезную работу. Здесь также много различных вариаций – устройство ветряной мельницы позволяет приводить в движение очень большой спектр различного оборудования, и о нем мы поговорим чуть позже – по большому счету, в старину от ветряков запускали даже станочное оборудование.
Устройство ветряной мельницы фото

Как видите, работает ветряная мельница довольно просто, несмотря даже на сложность ее механической системы – в принципе, в самом простом исполнении ее конструкцию назвать сложной можно разве что с натяжкой. Основная проблема ее изготовления заключается только лишь в точности изготовления ее деталей – если осилите этот момент в домашних условиях, то все остальное покажется простым делом.

Ветряная мельница своими руками: для чего она может понадобиться

Как и говорилось выше, перерабатывая энергию ветра с помощью ветряной установки, запустить можно достаточно много полезных приспособлений. Но так уж сложилось, что используют их в современном мире сравнительно редко и запускают с их помощью считанное количество приспособлений. Мощность, габариты и зависимость от погоды – вот еще одна проблема, с которой необходимо считаться. И именно эта проблема накладывает некоторые ограничения на область применения ветряных мельниц в современном мире.

Декор. Это, пожалуй, самое распространенное применение ветряной мельницы в современном мире – с их помощью декорируют загородные участки, имитируя тем самым старинный сельский стиль. Максимум функциональности у такой мельницы – это работа в качестве пугала для птичек на огороде, ну и для детворы развлечение. Ничего не имею против такого использования мельниц, но она может служить с куда большей пользой. К примеру, ее можно оборудовать маломощным генератором и, собрав на его основе мини электростанцию, освещать хотя бы небольшой участок сада.
Ветряные мельницы фото
Ветряные электростанции. Современные ветрогенераторы могут вырабатывать очень много энергии, но если говорить о небольшого размера мельницах, то здесь можно рассчитывать максимум на 100, может чуть больше ватт энергии. В принципе, если подключить к такой установке светодиодные лампы, то с их помощью можно будет осветить достаточно большую площадь участка. Спросите, а как быть, если ветра нет? В таких ситуациях энергия запасается в аккумуляторы, и использовать ее можно в любое время.

О том, как самостоятельно сделать декоративную ветряную мельницу, смотрите в этом видео.

Это, наверное, и все, на что могут сгодиться ветряные мельницы – по большому счету, этого достаточно. Зерно с их помощью точно никто перемалывать не станет и уж тем более никто не будет использовать их для работы сложных станков. Разве что в качестве развлечения.

Как сделать ветряную мельницу своими руками: принцип изготовления

Как вы уже поняли, изготовить своими руками можно практически любую ветряную мельницу, но следует понимать, что от ее назначения могут изменяться некоторые детали конструкции. К примеру, наличие в мельнице генератора электрической энергии потребует от вас выделить в корпусе специальное место для его установки. В целом же, решая вопрос, как сделать ветряную установку, вам придется изготовить как минимум две ее части – если говорить о функциональных мельницах, то и того больше.

Корпус. Это, можно сказать, самая простая часть ветряной мельницы, которая, как правило, изготавливается из древесины – если быть более точным, то из досок. Как вариант, можно использовать фанеру – вырезая различные части корпуса ветряка лобзиком, ветряной мельнице можно придать практически любые формы и размеры. Здесь, как говорится, дело за вашей фантазией и умением конструировать. Другие материалы для изготовления корпуса мельницы лучше не использовать – либо обойдется дороже, либо прослужит не долго. Даже в случае с древесиной понадобится позаботиться о дополнительной защите – в общем, корпус нужно будет покрасить. Как вариант, для изготовления мельницы, а вернее ее корпуса, можно использовать кирпич или натуральный камень – использование этих материалов будет рациональным только в случае строительства большой мельницы.
Лопасти. Это самая сложная часть ветряной установки, от которой зависит ее эффективность – это если, конечно, говорить о функциональном изделии данного типа – если вести речь о декоре, то форме и конфигурации лопастей внимания можно особе не уделять. Изготовить лопасти для ветряной мельницы проще всего из двух типов материала – это все та же древесина, с которой придется изрядно повозиться в случае полноценной рабочей установки (декор делается просто, без всяких заморочек) или же пластиковая канализационная труба. С ее помощью изготовить лопасти рабочего вентилятора очень просто, самое главное здесь – правильно раскроить трубу.
Ветряная мельница своими руками фото
Энергетическая установка. Несмотря на то, что энергетическая установка выглядит довольно сложно, собрать ее своими руками весьма легко. Для этого дела понадобится три основных элемента – это генератор, на вал которого нужно будет установить изготовленные ранее лопасти, аккумуляторы, которые необходимы для запасания энергии и так называемый инвертор-преобразователь, в задачи которого входит преобразование постоянного тока с напряжением 12 или 24 вольта в переменное напряжение 220V. Все это придется купить, после чего вам останется только правильно собрать схему – она элементарная и разобраться с ней сможет практически каждый человек, который хотя бы немного понимает в электричестве. Как вариант, от использования инвертора можно отказаться вообще – освещать некоторые участки сада можно и оборудованием на 12V.

В заключение темы про ветряные мельницы скажу несколько слов о подобных установках, только гидравлического принципа действия – в смысле, водяной мельницы. Это не менее популярный дачный декор, который, как и в случае с ветряком, может даже приносить пользу – это, конечно, если ваш дачный участок расположен на берегу тихой речушки. В таком случае водяные мельницы могут не только вырабатывать электроэнергию, но и качать воду для полива. В общем, на этот агрегат тоже нужно обратить внимание – возможно и для вас он окажется весьма полезной вещью, которую при желании также можно достаточно просто изготовить своими руками.

Как работает ветряная турбина — текстовая версия

Сила ветра

Ветряные турбины используют ветер — чистый, бесплатный и широко доступный возобновляемый источник энергии — для выработки электроэнергии. На этой странице представлена текстовая версия интерактивной анимации: Как работает ветряная турбина.

Как работает ветряная турбина

Ветряная турбина преобразует энергию ветра в электричество за счет аэродинамической силы лопастей ротора, которые работают как крыло самолета или лопасти винта вертолета. Когда ветер обдувает лопасть, давление воздуха на одной стороне лопасти уменьшается. Разница в давлении воздуха по обеим сторонам лопасти создает как подъемную силу, так и сопротивление. Подъемная сила больше, чем сопротивление, и это заставляет ротор вращаться. Ротор соединяется с генератором либо напрямую (если это турбина с прямым приводом), либо через вал и ряд шестерен (редуктор), которые ускоряют вращение и позволяют физически уменьшить генератор. Этот перевод аэродинамической силы во вращение генератора создает электричество.

Как работает ветряная электростанция

Ветряные электростанции производят электроэнергию за счет множества ветряных турбин, расположенных в одном месте. На размещение ветряной электростанции влияют такие факторы, как ветровые условия, окружающая местность, доступ к линиям электропередач и другие факторы размещения. В ветряной электростанции коммунального масштаба каждая турбина вырабатывает электроэнергию, которая поступает на подстанцию, где затем передается в сеть, где питает наши сообщества.

Передача инфекции

Линии электропередач передают электричество высокого напряжения на большие расстояния от ветряных турбин и других генераторов энергии в районы, где эта энергия необходима.

Трансформеры

Трансформаторы получают электроэнергию переменного тока при одном напряжении и повышают или понижают напряжение для подачи электроэнергии по мере необходимости. Ветряная электростанция будет использовать повышающий трансформатор для повышения напряжения (таким образом, уменьшая требуемый ток), что снижает потери мощности, возникающие при передаче больших токов на большие расстояния по линиям электропередач. Когда электричество достигает сообщества, трансформаторы снижают напряжение, чтобы сделать его безопасным и пригодным для использования зданиями и домами в этом сообществе.

Подстанция

Подстанция соединяет систему передачи с системой распределения, которая поставляет электроэнергию населению. Внутри подстанции трансформаторы преобразуют электроэнергию с высокого напряжения в более низкое напряжение, которое затем может быть безопасно доставлено потребителям электроэнергии.

Башня ветряной турбины

Изготовленная из трубчатой стали, башня поддерживает конструкцию турбины. Башни обычно состоят из трех секций и собираются на месте. Поскольку скорость ветра увеличивается с высотой, более высокие башни позволяют турбинам захватывать больше энергии и генерировать больше электроэнергии. Ветры на высоте 30 метров (примерно 100 футов) и выше также менее турбулентны.

Направление ветра

Определяет конструкцию турбины. Ветряные турбины, подобные показанной здесь, обращены к ветру, а подветренные — в сторону. Большинство наземных ветряных турбин коммунального масштаба являются ветряными турбинами.

Флюгер

Флюгер измеряет направление ветра и сообщается с приводом рыскания, чтобы правильно ориентировать турбину относительно ветра.

Анемометр

Анемометр измеряет скорость ветра и передает данные о скорости ветра на контроллер.

Лезвия

Большинство турбин имеют три лопасти, изготовленные в основном из стекловолокна. Лопасти турбин различаются по размеру, но типичная современная наземная ветряная турбина имеет лопасти длиной более 170 футов (52 метра). Самая большая турбина — морская ветряная турбина GE Haliade-X с лопастями длиной 351 фут (107 метров) — примерно такой же длины, как футбольное поле. Когда ветер обдувает лопасть, давление воздуха на одной стороне лопасти уменьшается. Разница в давлении воздуха по обеим сторонам лопасти создает как подъемную силу, так и сопротивление. Подъемная сила больше, чем сопротивление, и это заставляет ротор вращаться.

Наземная турбина с редуктором

Трансмиссия турбины с редуктором состоит из ротора, главного подшипника, главного вала, редуктора и генератора. Трансмиссия преобразует низкоскоростное вращение ротора турбины (лопасти и узел ступицы) с высоким крутящим моментом в электрическую энергию.

Гондола

Гондола находится на вершине башни и содержит редуктор, низкоскоростные и высокоскоростные валы, генератор и тормоз. Некоторые гондолы больше дома и для турбины с редуктором мощностью 1,5 МВт могут весить более 4,5 тонн.

Система рыскания

Привод рыскания поворачивает гондолу на ветряных турбинах, чтобы они оставались обращенными к ветру при изменении направления ветра. Для этого двигатели рыскания приводят в действие привод рыскания.

Ветряные турбины не требуют привода рыскания, потому что ветер вручную уносит ротор от него.

Система подачи

Система шага регулирует угол наклона лопастей ветряной турбины по отношению к ветру, контролируя скорость вращения ротора. Регулируя угол наклона лопастей турбины, система шага определяет, сколько энергии могут извлекать лопасти. Система шага также может «раскачивать» лопасти, регулируя их угол, чтобы они не создавали силы, которая могла бы вызвать вращение ротора. Оперение лопастей замедляет ротор турбины, чтобы предотвратить повреждение машины, когда скорость ветра слишком высока для безопасной работы.

Центр

Часть трансмиссии турбины, лопасти турбины входят в ступицу, соединенную с главным валом турбины.

Коробка передач

Трансмиссия состоит из ротора, главного подшипника, главного вала, редуктора и генератора. Трансмиссия преобразует низкоскоростное вращение ротора турбины (лопасти и узел ступицы) с высоким крутящим моментом в электрическую энергию.

Ротор

Лопасти и ступица вместе образуют ротор турбины.

Тихоходный вал

Часть трансмиссии турбины, низкоскоростной вал соединен с ротором и вращается со скоростью 8–20 оборотов в минуту.

Подшипник главного вала

Часть трансмиссии турбины, главный подшипник поддерживает вращающийся низкоскоростной вал и уменьшает трение между движущимися частями, чтобы силы от ротора не повреждали вал.

Высокоскоростной вал

Часть трансмиссии турбины, высокоскоростной вал соединяется с коробкой передач и приводит в движение генератор.

Генератор

Генератор приводится в движение высокоскоростным валом. Медные обмотки вращаются через магнитное поле в генераторе для производства электроэнергии. Некоторые генераторы приводятся в действие редукторами (показанными здесь), а другие представляют собой прямые приводы, в которых ротор присоединяется непосредственно к генератору.

Контроллер

Контроллер позволяет запускать машину при скорости ветра около 7–11 миль в час (миль в час) и выключает машину, когда скорость ветра превышает 55–65 миль в час. Контроллер выключает турбину при более высоких скоростях ветра, чтобы избежать повреждения различных частей турбины. Думайте о контроллере как о нервной системе турбины.

Тормоз

Турбинные тормоза не похожи на автомобильные тормоза. Тормоз турбины удерживает ротор от вращения после того, как он был отключен системой шага. Как только лопасти турбины останавливаются контроллером, тормоз удерживает лопасти турбины в неподвижном состоянии, что необходимо для технического обслуживания.

Морская ветряная турбина с прямым приводом

Турбины с прямым приводом упрощают системы гондол и могут повысить эффективность и надежность за счет устранения проблем с коробкой передач. Они работают, соединяя ротор напрямую с генератором для выработки электроэнергии.

Морской флюгер и анемометр с прямым приводом

Анемометр измеряет скорость ветра и передает данные о скорости ветра на контроллер.

Система рыскания с прямым приводом

Электродвигатели рыскания приводят в действие привод рыскания, который вращает гондолы ветряных турбин, чтобы они оставались обращенными к ветру при изменении направления ветра.

Лопасти генератора с прямым приводом

Большинство турбин имеют три лопасти, изготовленные в основном из стекловолокна. Когда ветер обдувает лопасть, давление воздуха на одной стороне лопасти уменьшается. Разница в давлении воздуха по обеим сторонам лопасти создает как подъемную силу, так и сопротивление. Подъемная сила больше, чем сопротивление, и это заставляет ротор вращаться. Лопасти турбины GE Haliade X имеют длину 351 фут (107 метров) — примерно такую же длину, как футбольное поле!

Система шага с прямым приводом

Концентратор прямого привода

Лопасти турбины вставляются в ступицу, соединенную с генератором турбины.

Ротор с прямым приводом

Лопасти и ступица вместе образуют ротор турбины.

Генератор с прямым приводом

Генераторы с прямым приводом не используют редуктор для выработки электроэнергии. Они генерируют энергию, используя гигантское кольцо постоянных магнитов, которые вращаются вместе с ротором, производя электрический ток, проходя через стационарные медные катушки. Большой диаметр кольца позволяет генератору создавать большую мощность при вращении с той же скоростью, что и лопасти (8–20 оборотов в минуту), поэтому ему не нужен редуктор, чтобы разогнать его до тысяч оборотов. в минуту требуют другие генераторы.

Контроллер прямого привода

Тормоз с прямым приводом

Турбинные тормоза — это не автомобильные тормоза. Тормоз турбины удерживает ротор от вращения после того, как он был отключен системой шага. Как только лопасти турбины останавливаются контроллером, тормоз удерживает лопасти турбины в неподвижном состоянии, что необходимо для технического обслуживания.

Подшипник ротора прямого привода

Подшипник ротора поддерживает основной вал и снижает трение между движущимися частями, чтобы силы от ротора не повреждали вал.

Узнайте больше об энергии ветра

Как работают ветряные турбины?

Изучите основы работы ветряных турбин для производства чистой энергии из обильного возобновляемого ресурса — ветра.

Учить больше

Основы ветроэнергетики

Узнайте больше о ветроэнергетике здесь, от принципа работы ветряной турбины до новых захватывающих исследований в области ветровой энергии.

Учить больше

History of U.S. Wind Energy

На протяжении всей истории использование энергии ветра то возрастало, то уменьшалось, от использования ветряных мельниц в прошлые века до высокотехнологичных ветряных турбин на ветряных электростанциях сегодня…

Учить больше

Сколько мощности составляет 1 гигаватт?

Дата, которую большинство любителей кино знает наизусть, 21 октября 2015 года — это день, когда Марти МакФлай и Док Браун путешествуют в «Назад в будущее, часть 2».

Учить больше

Это крошечное устройство может извлекать энергию ветра из бриза, который вы создаете, когда идете — ScienceDaily

Новости науки

от научно-исследовательских организаций

Дата:: 23 сентября 2020 г.
Источник:: Сотовый пресс
Резюме:: Большая часть ветра, доступного на суше, слишком слаба, чтобы толкать лопасти коммерческих ветряных турбин, но теперь исследователи разработали своего рода «крошечную ветряную турбину», которая может поглощать энергию ветра от бризов так же мало, как и от быстрой ходьбы. Этот метод представляет собой недорогой и эффективный способ сбора легких бризов в качестве источника микроэнергии.
Поделиться:

ПОЛНАЯ ИСТОРИЯ

Большая часть ветра, доступного на суше, слишком слаба, чтобы толкать лопасти коммерческих ветряных турбин, но теперь исследователи в Китае разработали своего рода «крошечную ветряную турбину», которая может поглощать энергию ветра из бризов так же мало, как те создается быстрой ходьбой. Метод, представленный 23 сентября в журнале Cell Reports Physical Science , представляет собой недорогой и эффективный способ сбора легких бризов в качестве источника микроэнергии.

объявление

Новое устройство технически не является турбиной. Это наногенератор, состоящий из двух пластиковых полосок в трубке, которые трепещут или хлопают вместе при наличии воздушного потока. Подобно трению воздушного шара о ваши волосы, два пластика становятся электрически заряженными после того, как они отделяются от контакта, явление, называемое трибоэлектрическим эффектом. Но вместо того, чтобы заставлять ваши волосы вставать дыбом, как у Эйнштейна, электричество, генерируемое двумя пластиковыми полосками, улавливается и сохраняется.

«Вы можете собрать весь ветерок в своей повседневной жизни», — говорит старший автор Я Ян из Пекинского института наноэнергии и наносистем Китайской академии наук. «Однажды мы поместили наш наногенератор на руку человека, и потока воздуха от качающейся руки было достаточно для выработки энергии».

Легкого ветра со скоростью 1,6 м/с (3,6 мили в час) было достаточно, чтобы привести в действие трибоэлектрический наногенератор, разработанный Янгом и его коллегами. Наногенератор лучше всего работает при скорости ветра от 4 до 8 м/с (8,9до 17,9 миль в час), скорость, которая позволяет двум пластиковым полоскам трепетать синхронно. Устройство также имеет высокую эффективность преобразования энергии ветра в 3,23%, что превышает ранее заявленные показатели по очистке энергии ветра. В настоящее время устройство исследовательской группы может включать 100 светодиодов и датчики температуры.

«Наша цель не в том, чтобы заменить существующую технологию производства ветровой энергии. Наша цель — решить проблемы, которые не могут решить традиционные ветряные турбины», — говорит Ян. «В отличие от ветряных турбин, в которых используются катушки и магниты, где стоимость фиксирована, мы можем выбирать недорогие материалы для нашего устройства. Наше устройство также можно безопасно применять в заповедниках или городах, поскольку оно не имеет вращающихся конструкций. .»

Ян говорит, что у него есть два видения следующих шагов проекта: одно маленькое и одно большое. В прошлом Ян и его коллеги разработали наногенератор размером с монету, но он хочет сделать его еще меньше и компактнее с более высокой эффективностью. В будущем Ян и его коллеги хотели бы объединить устройство с небольшими электронными устройствами, такими как телефоны, для обеспечения устойчивой электроэнергии.

Но Ян также хочет сделать устройство больше и мощнее. «Я надеюсь увеличить мощность устройства до 1000 Вт, чтобы оно могло конкурировать с традиционными ветряными турбинами», — говорит он. «Мы можем разместить эти устройства там, куда не могут добраться традиционные ветряные турбины. Мы можем разместить их в горах или на крышах зданий для устойчивой энергетики».

изменить мир к лучшему: спонсируемая возможность

Источник истории:

Материалы предоставлены Cell Press . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

Ссылка на журнал :

Синь Чен, Синчен Ма, Вэйвэй Рен, Линсяо Гао, Шан Лу, Дацяо Тонг, Фаянг Ван, Ю Чен, Йи Хуан, Хао Хэ, Баопин Тан, Цзяцзя Чжан, Сяоц Чжан , Сяоцзин Му, Я Ян. Трибоэлектрический наногенератор, использующий эффект Бернулли для утилизации энергии ветра . Cell Reports Physical Science , 2020; 1 (9): 100207 DOI: 10.1016/j.xcrp.2020.100207

Цитировать эту страницу :

MLA
АПА
Чикаго

Сотовый пресс.