Научная причина, по которой ветряные турбины имеют 3 лопасти

Вы когда-нибудь задумывались, почему у ветряков 3 лопасти, а не больше? Есть научная причина, по которой 3 является магическим числом.

Сирша Керриган
| 28 марта 2018 г., 09:23 по восточному поясному времени
Созданный: 28 марта 2018 г., 09:23 по восточному поясному времени

Человечество веками использовало энергию ветра. От парусников до ветряных мельниц ветер был важным источником энергии на протяжении всей истории человечества.

В последние годы энергия ветра приобрела большую популярность как эффективная и устойчивая альтернатива ископаемому топливу. Ветряные электростанции начали усеивать береговые линии и горные вершины по всему миру, и к настоящему времени вы, вероятно, заметили их отличительный дизайн.

Смотрите также

Так почему же у ветряных турбин три лопасти, а не меньше или больше? Ответ кроется в технике, лежащей в основе ветроэнергетики, и в том, как максимизировать выход энергии. Чтобы эффективно производить максимальное количество электроэнергии, необходимо учитывать многое.

Как работают ветряные турбины ?: история энергии ветра и наука, стоящая за ней

Ветряные турбины, производящие электроэнергию, старше, чем некоторые могут подумать. Первая такая турбина была изобретена в 1888 году Чарльзом Ф. Брашем. Он имел замечательные 144 деревянных лопасти и мог генерировать 12 киловатт энергии.

Вплоть до середины 1930-х годов многие сельские дома в Америке зависели от энергии ветра как от единственного источника электроэнергии. Турбины были доступным и экономичным способом обеспечения энергией удаленных мест, которые в противном случае не обслуживались магистральными линиями электропередач.

После расширения линий электропередач по всей территории Соединенных Штатов сельские ветряные турбины фактически вымерли, и энергия ветра ушла в прошлое. Только в последние десятилетия возродился интерес к энергии ветра как к дешевой альтернативе другим формам производства энергии.

Принципы производства энергии ветра сегодня так же просты, как и в 19 веке. Ветер — это просто воздух в движении, а где движение, там и кинетическая энергия.

Ветряные турбины предназначены для создания препятствия этой кинетической энергии, замедляя ее и преобразовывая в электрическую энергию. Это препятствие представляет собой лопасти турбин, специально разработанные для получения максимального количества энергии.

Однако проектирование и использование лопаток турбины — деликатная наука, зависящая от ряда факторов, таких как аэродинамика и сопротивление воздуха.

Самый популярный

Проектирование лопаток турбины: скорость, аэродинамика и скорость звука

При проектировании лопастей для ветряных турбин учитывается ряд факторов. Пожалуй, самым важным фактором является аэродинамика.

Аэродинамика относится к свойствам твердого объекта, и воздух вокруг него взаимодействует с ним. Имея это в виду, лопасти ветряной турбины сконструированы так же, как крылья самолета.

Задняя часть лопасти изогнута больше, чем передняя, ​​так же, как крыло самолета загибается вверх на конце. Эта разнообразная форма вызывает перепад давления, когда воздух проходит через лопасти, что и заставляет лопасти двигаться.

Из-за препятствия лопасти воздух движется с большей скоростью позади лопасти, чем перед ней. Именно это приводит в движение вращение лопастей и запускает процесс выработки электроэнергии.

Однако недостаточно, чтобы лопасти двигались ветром. Инженеры должны учитывать скорость и сопротивление при проектировании лопастей, чтобы обеспечить высочайший уровень эффективности.

Например, если слишком большое сопротивление создается препятствием для лопастей, выходная мощность будет намного ниже. Если создается недостаточное сопротивление, лопасти могут двигаться слишком быстро, что приведет к преодолению звукового барьера.

Одним из самых больших преимуществ ветряных турбин является их тихая работа. Если они преодолеют звуковой барьер, это может повысить вероятность того, что жители, проживающие рядом с предполагаемыми ветряными электростанциями, будут выступать против внедрения турбин.

Выбор идеального количества лезвий

По большому счету, большинство ветряных турбин стандартно работают с тремя лопастями. Решение проектировать турбины с тремя лопастями на самом деле было чем-то вроде компромисса.

Из-за уменьшенного лобового сопротивления одной лопасти будет оптимальное количество, когда речь идет об отдаче энергии.Однако одна лопасть может привести к разбалансировке турбины, а это непрактичный выбор для стабильности турбины.

Точно так же два лезвия обеспечат больший выход энергии, чем три, но будут иметь свои проблемы. Двухлопастные ветряные турбины более подвержены явлению, известному как гироскопическая прецессия, приводящему к колебанию. Естественно, это колебание создаст дополнительные проблемы со стабильностью турбины в целом. Это также создаст нагрузку на составные части турбины, в результате чего она со временем изнашивается и становится менее эффективной.

Любое количество лопастей больше трех создаст большее сопротивление ветру, замедлит выработку электроэнергии и, таким образом, станет менее эффективным, чем трехлопастная турбина.

По этим причинам турбины с тремя лопастями являются идеальным компромиссом между высоким выходом энергии и большей стабильностью и долговечностью самой турбины.

Будущее ветряных турбин: может ли быть лучше трех лопастей?

Несмотря на то, что в последние годы трехлопастные турбины стали стандартной моделью производства экологически чистой энергии, это не означает, что так будет всегда. Инженеры все еще работают над лучшими, более эффективными проектами для будущих усилий по производству энергии.

Одной из наиболее популярных предлагаемых конструкций является безлопастная турбина. Хотя это может показаться противоречащим сопротивлению, необходимому для преобразования энергии ветра в электричество, на самом деле создание турбины без лопастей дает ряд преимуществ.

Одним из преимуществ является стоимость и обслуживание. Нынешние турбины подвергаются большой нагрузке в процессе эксплуатации. Они могут совершать до двадцати оборотов в минуту и ​​развивать скорость до 180 миль в час (289 км/ч), что приводит к огромной силе. В дополнение к эрозии, которой они подвергаются в неблагоприятных погодных условиях на шельфе, легко понять, почему качество лопаток турбин со временем значительно ухудшается.