Как дует ветер, так и лопасти ветряных мельниц и ветряных турбин. Эти массивные лопастные машины существуют уже более 1000 лет, а первые ветряные мельницы появились в Персии около 800 г. н.э.
Эти ранние ветряные мельницы использовались именно для того, что подразумевает их название - они были мельницами, приводимыми в движение ветром. Ветер вращал лопасти или 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 - качать воду в города и дома. Вместо того, чтобы крутить зерновую мельницу, вращение ветряной мельницы можно было использовать для привода насоса.
В то время как ветряные мельницы существуют уже много веков, ветряные турбины появились примерно с 1888 года, когда изобретатель Чарльз Браш построил первую известную ветряную турбину, созданную для производства электроэнергии в США, для выработки электроэнергии для своего особняка в Огайо.. Ветряные 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 перекачка воды.
«Ветряная турбина в Соединенных Штатах имеет высоту около 280 футов (85 метров), тогда как более старые ветряные мельницы обычно не превышают 80 футов (24 метра)», - говорит Джеймс Херцинг, инженер и отмеченный наградами ведущий. из подкаста Unprofessional Engineering в интервью по электронной почте. «Размер парусов или лопастей - еще одна большая разница. Ветряные мельницы традиционно измеряются диаметром колеса, и нередко можно увидеть 8-футовый (2-метровый) ветряк, где 8 футов измеряются поперек лопастей. С другой стороны, ветряные турбины могут иметь одну лопасть длиной более 100 футов (30 метров)».
Как работают ветряные мельницы
Несмотря на то, что ветряные мельницы являются одними из самых старых и жизненно важных машин для цивилизации и обычно используются для перекачивания воды или измельчения зерна, у них есть некоторые другие функциональные отличия от гораздо более новой технологии ветряных турбин.
Лопасти ветряной мельницы находятся близко к земле, поэтому для вращения им приходится использовать воздушные потоки вблизи земли. Поскольку ветряные потоки, как правило, менее близки к поверхности Земли, чем в верхних слоях атмосферы, ветряные мельницы должны иметь более крупные лопасти, чтобы улавливать как можно больше ветра.
Хотя ветряные мельницы существуют примерно с 800 года н. э., их популярность пришлась на середину 1800-х годов. Спровоцированная промышленной революцией в течение десятилетий после 1850 года, только в США было установлено более 6 миллионов механических ветряков для питания насосов и заводов, а также для удовлетворения других потребностей в энергии.
Эта популярность была обусловлена простотой использования ветряных мельниц в качестве генераторов механической энергии. Просто установив ветряную мельницу с множеством лопастей, вы можете быстро получить доступ к бесплатному источнику механической энергии. Благодаря вращению лопастей эта энергия вращения может использоваться для привода машин через зубчатую передачу или использоваться для выталкивания и вытягивания воды из-под земли с помощью простых водяных штанговых насосов.
По мере того, как ветряные мельницы популяризировались в современной промышленности, разрабатывалось и совершенствовалось еще одно изобретение: генератор.
Вместо того, чтобы использовать ветряную мельницу только тогда, когда дует ветер, генератор позволял сохранять энергию вращения, преобразовывая ее в электричество. Таким образом, разработка ветряных турбин стала следующим шагом в совершенствовании устройств использования энергии 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 вращающимся стержнем лопасти. При вращении генератора вырабатывается электрический ток, который можно использовать для зарядки аккумуляторов, подачи в сеть или прямого 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 во вращательную энергию. Затем эта вращательная энергия передается через ряд шестерен, чтобы увеличить скорость генератора.
Эти турбины обычно начинают производить 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/ч), чтобы они не вышли из строя или не повредили по данным Американской ассоциации ветроэнергетики.
Ветряные турбины производят электричество, но технически они не так эффективны, как ветряные мельницы. Ветряные турбины имеют максимальную эффективность 59 процентов, что известно как предел Бетца. Это связано с невозможностью использовать всю энергию ветра и неэффективностью преобразования энергии вращения в механическую энергию.
От древних технологий к энергии будущего
Несмотря на свою неэффективность, ветряные турбины - это способ использования ветра и производства электроэнергии в будущем. Джеймс говорит, что он «видит ветряные 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 уровнем выбросов. На самом деле, некоторые страны, такие как Шотландия, уже вложили достаточно средств в энергию ветра, чтобы обеспечить энергией две Шотландии!»
В 2018 году ветряная энергия произвела примерно 5 процентов мировой электроэнергии, что сделало ее вторым по величине возобновляемым источником после гидроэнергетики. От первого использования ветряной мельницы в качестве механической основы ранней персидской и китайской цивилизаций до сегодняшних массивных ветряных турбин - основная технология никуда не денется.
Интересно
Ветряные турбины имеют только три лопасти, чтобы поддерживать постоянный угловой момент. С тремя лезвиями, когда одно направлено вверх, два, направленные вниз под углом, идеально уравновешивают силы. Если бы ветряные турбины имели более трех лопастей, они были бы либо неустойчивыми, либо слишком тяжелыми, чтобы быть эффективными.