Могут ли ветряные турбины вращаться в обе стороны?

Точно так же, как крыло самолета обеспечивает подъемную силу за счет воздуха, протекающего под ним, так и лопасть ротора ветряной турбины вращается под действием потока ветра, обтекающего ее поверхность. Но как нам преобразовать энергию ветра в полезную электроэнергию, и действительно ли имеет значение, в каком направлении вращаются эти огромные лопасти ротора?

Лопасти ротора ветряной турбины могут быть спроектированы так, чтобы они вращались в обоих направлениях для производства электроэнергии — по часовой стрелке или против часовой стрелки. Большинство турбин вращаются по часовой стрелке по причинам, связанным с удобством и единым мировым стандартом. Однако направление вращения ротора может иметь значение, когда две или более ветряных турбин размещаются одна за другой.

Продолжайте читать, чтобы узнать, как наука и физика продолжают удивлять нас вещами, о которых мы обычно не задумываемся, например, как современная ветряная турбина с горизонтальной осью (HAWT) преобразует потенциальную энергию (ветра) в кинетическую энергию (электричество). ) и как этот эффект может отличаться в северном и южном полушарии.

Alternative Energy Options является партнером Amazon. Таким образом, мы получаем небольшую комиссию с покупок читателей. Мы также поддерживаем деловые отношения с другими поставщиками (полное заявление).

Что произойдет, если ветряная турбина будет вращаться назад?

Изучение того, как воздух движется по твердой поверхности, называется аэродинамикой. Форма крыла самолета, например, создает подъемную силу, когда несущийся воздух проходит под ним и над ним. Точно так же, когда ветер сталкивается с контурной формой роторов ветряных турбин, ветер толкает лопасти, чтобы они двигались в определенном направлении.

Во всем мире это направление обычно по часовой стрелке. Почему?

В области физики, изучающей поведение материи в пространстве и времени, нет ничего, что определяло бы, что вращение по часовой стрелке лучше или эффективнее, чем вращение против или против часовой стрелки. Любое направление даст аналогичный результат с точки зрения выработки электроэнергии.

Необходимость универсального стандарта

Тот факт, что большинство роторов вращаются по часовой стрелке, в основном связан с потребностью в универсальном стандарте.

Процесс изготовления лопастей ротора для ветряных турбин из современных легких эпоксидных композитных материалов на основе стекла или углеродного волокна очень дорог. Эти лезвия могут иметь длину более 260 футов (приблизительно 80 метров). Самая длинная лопасть в настоящее время производится компанией LM Wind Power в Дании и имеет длину 290 футов (88,4 метра) (источник).

Но так как принято считать, что стрелки часов вращаются «по часовой стрелке» — мы могли бы, по-видимому, привыкнуть к их вращению в противоположном направлении, и ход времени не изменился бы, — так и удобно, что все лопасти ветряных турбин вращаются в одном и том же направлении по часовой стрелке.

Также важно обеспечить некоторую меру стандартизированного инструментария в производственном процессе. Хотя лопасти ротора рассчитаны на миллионы циклов нагрузки в течение срока службы 20–25 лет, они по-прежнему подвержены усталости и необходимости технического обслуживания и замены.

Изготовление стандартных сменных деталей для технического обслуживания и ремонта экономически выгодно. Хитрость конструкции заключается в том, чтобы создать баланс между выходной мощностью, усталостной долговечностью и себестоимостью производства.

По этой же причине ветряные турбины всегда имеют три лопасти. Давление ветра и результирующая усталость материала на этих огромных лопастях огромны. Благодаря тому, что одна лопасть постоянно направлена ​​вверх, где давление ветра наиболее сильное, а две — вниз, давление распределяется более равномерно и снижается утомляемость.

Понимание того, как ветер приводит в движение ветряную турбину

Давайте на мгновение вернемся назад и узнаем, как большая вращающаяся лопасть (или три) преобразует потенциальную энергию ветра в кинетическую электрическую энергию.

Ветер в своем естественном состоянии не имеет другой энергии, кроме развевания листьев по двору. Он становится полезным — что мы определяем, поскольку он обладает потенциальной энергией — когда мы можем использовать ветер для привода электрического генератора, производящего электрическую энергию (кинетическую энергию). Это то, что делает ветряная турбина.

Итак, лопасти турбины, приводимые в движение ветром, толкающим их уникально спроектированную форму, вращают ось, прикрепленную к коробке передач, которая преобразует низкоскоростное входящее вращение оси в высокоскоростное вращение, подходящее для выработки электроэнергии.

В современной ветряной турбине также будет установлен анемометр для измерения скорости ветра и тормозной механизм для замедления или остановки вращения лопастей в случае сильного ветра и во время технического обслуживания.

Ветряные турбины также устанавливаются на высоких пилонах, обычно на высоте более 280 футов (85 метров) от земли. Чем они выше, тем больше энергии ветра они могут захватить.

Об изменениях направления ветра

Но что происходит, когда ветер меняет направление? Преобладающий ветер, который является доминирующим ветром, дующим с определенного направления, отличается от сезона к сезону и от северного к южному полушарию.

Эти ветры известны как западные и пассаты. Итак, как мы можем узнать, в каком направлении направить лопасти ветряной турбины, чтобы ветер дул в основном спереди? А если преобладающий ветер переключится на заднюю часть ветряка, повернутся ли лопасти в противоположную сторону?

Для оптимальной эффективности и выработки максимальной электроэнергии важно, чтобы ветер дул прямо спереди на лопасти ветряной турбины. Чтобы гарантировать, что турбина остается направленной против ветра и приспосабливается к изменениям направления ветра, ветряные турбины оснащены датчиком ветра или флюгером, соединенным с системой рыскания.

Двигатель рыскания на большой ветряной турбине заставляет гондолу поворачиваться в направлении ветра, чтобы генерировать как можно больше энергии ветра. Гондола в данном случае представляет собой покрытие, в котором находятся генератор, коробка передач и тормозная система. Таким образом, лопасти турбины всегда обращены к ветру.

Схема ветряных электростанций

Здравый смысл и опыт говорят нам, однако, что, когда на пути ветра находится препятствие, за ним создается турбулентность. Так что, если я стою за стеной в ветреный день, например, я все равно буду ощущать некоторые эффекты ветра, но он будет кружиться с разных сторон.

Нечто подобное происходит в следе за ветряной турбиной, поэтому необходимо измерить влияние на ветровой поток, когда турбины устанавливаются последовательно, например, на ветряной электростанции, где несколько турбин устанавливаются на одном участке. Недавнее исследование показывает, что это оказывает важное влияние на направление вращения лопастей ветряных турбин (источник).

Причины сложны и связаны с геофизикой поведения ветра между дневным и ночным временем, а также зависят от полушария, в котором расположены турбины.

На движение ветра над земной поверхностью различным образом влияет температура воздуха вблизи земной поверхности и влияние, которое она оказывает на пограничный слой воздуха днем ​​и ночью.

Колебания температуры между днем ​​и ночью оказывают результирующее влияние на сдвиг ветра — изменение скорости или направления ветра с высотой на небольшом расстоянии — и изменение направления ветра — смещение ветра по часовой стрелке в северном полушарии и против часовой стрелки в северном полушарии. Южное полушарие.

Эти факторы сочетаются с вращением Земли, так называемой силой Кориолиса, таким образом, что турбина против ветра, вращающаяся по часовой стрелке, вызывает турбулентный след, движущийся против часовой стрелки.Но сила Кориолиса вступает в противоречие со следом против часовой стрелки, уменьшая его способность эффективно управлять турбиной, направленной вниз по ветру.

Если бы первая турбина вращалась против часовой стрелки, ее след был бы по часовой стрелке и синхронно с направлением ветра в северном полушарии. Противоположный эффект будет иметь место в южном полушарии.

Физика имеет смысл, и хотя эти результаты до сих пор были смоделированы только в компьютерном моделировании, они предполагают, что увеличение выходной мощности от 11,5% до 23% для подветренной турбины достижимо (источник).

Однако с точки зрения затрат переоснащение ветряных электростанций в северном полушарии, где находится 96% этих турбин, для разнесения вращения по часовой/против часовой стрелки было бы очень дорогим мероприятием.

Расстояние между турбинами, вращающимися в противоположных направлениях, очевидно, также имеет большое значение, и было обнаружено, что оно оптимально в три с половиной раза превышает диаметр лопастей ротора (источник).

Эти исследования имеют важные последствия для проектирования и расширения европейских ветряных электростанций, где происходит большая часть расширения возобновляемой энергии из ветра и других источников.

В Германии, например, в 2019 году эксплуатировалось около 30 000 наземных ветряных электростанций, что обеспечило более одной трети поставок возобновляемой энергии в стране за первые три месяца 2020 года (источник).

Последние мысли

Направление, в котором вращаются лопасти ротора ветряной турбины, совершенно произвольно, определяется соглашением и удобством наличия единого глобального стандарта. Исследования показали, что направление вращения одной турбины может повлиять на эффективность тех, которые находятся с подветренной стороны, и что лопасти, вращающиеся против часовой стрелки, могут привести к увеличению выходной мощности турбины с подветренной стороны.

Теоретически одну крупную угольную электростанцию ​​можно заменить примерно 1000 ветряными турбинами мощностью 2 МВт. Можно задаться вопросом, стоит ли затраченных усилий выжимать каждый киловатт мощности из ветряной турбины за счет ступенчатого вращения.По мере роста спроса на энергию может быть целесообразнее потратить деньги на обновление конструкции в ближайшем будущем.