Det är ibland svårt att föreställa sig luft som en vätska. Det verkar bara så ... osynligt. Men luft är en vätska som alla andra förutom att dess partiklar är i gasform istället för vätska. Och när luften rör sig snabbt, i form av vind, dessa partiklar rör sig snabbt. Rörelse betyder rörelseenergi, som kan fångas, precis som energin i rörligt vatten kan fångas upp av turbinen i en vattenkraftsdamm. I fallet med en vindelektriskt turbin , turbinbladen är utformade för att fånga upp kinetisk energi i vind. Resten är nästan identisk med en vattenkraftverk:När turbinbladen fångar vindkraft och börjar röra sig, de snurrar en axel som leder från rotorns nav till en generator. Generatorn förvandlar den rotationsenergin till elektricitet. I huvudsak, att generera el från vinden handlar om att överföra energi från ett medium till ett annat.
Vindkraft börjar med solen. När solen värmer upp ett visst landområde, luften runt den landmassan absorberar en del av den värmen. Vid en viss temperatur, att varmare luft börjar stiga mycket snabbt eftersom en given volym varmluft är lättare än en lika stor mängd kallare luft. Snabbare (varmare) luftpartiklar utövar mer tryck än partiklar som rör sig långsammare, så det tar färre av dem för att bibehålla det normala lufttrycket vid en given höjd (se hur varmluftsballonger fungerar för att lära dig mer om lufttemperatur och tryck). När den ljusare hetluften plötsligt stiger, kallare luft strömmar snabbt in för att fylla gapet som hetluften lämnar efter sig. Den luften som rusar in för att fylla luckan är vind.
Tack YouThanks till Willy Cheng för hans hjälp med denna artikel.Om du placerar ett föremål som ett rotorblad i vindens bana, vinden kommer att trycka på den, överföra en del av sin egen rörelseenergi till bladet. Så här fångar ett vindkraftverk energi från vinden. Samma sak händer med en segelbåt. När luft i rörelse trycker på segelbarriären, det får båten att röra sig. Vinden har överfört sin egen rörelseenergi till segelbåten.
I nästa avsnitt tittar vi på de olika delarna av ett vindkraftverk.
Innehåll
Den enklaste möjliga vindkraftsturbinen består av tre viktiga delar:
Nu när vi har tittat på ett förenklat system, vi går vidare till den moderna tekniken du ser i vindkraftparker och lantliga bakgårdar idag. Det är lite mer komplext, men de underliggande principerna är desamma.
När du pratar om moderna vindkraftverk, du tittar på två primära mönster:horisontell axel och vertikal axel. Vindkraftverk med vertikal axel ( VAWT ) är ganska sällsynta. Den enda som för närvarande är i kommersiell produktion är Darrieus -turbinen, som ser ut som ett äggslag.
I en VAWT, axeln är monterad på en vertikal axel, vinkelrätt mot marken. VAWT är alltid i linje med vinden, till skillnad från deras horisontella axel-motsvarigheter, så det behövs ingen justering när vindriktningen ändras; men en VAWT kan inte börja röra sig helt själv - den behöver en boost från sitt elsystem för att komma igång. Istället för ett torn, det använder vanligtvis karledningar för support, så rotorhöjden är lägre. Lägre höjd innebär långsammare vind på grund av markstörningar, så VAWT är i allmänhet mindre effektiva än HAWT. På uppåtsidan, all utrustning är på marknivå för enkel installation och service; men det betyder ett större fotavtryck för turbinen, vilket är ett stort negativt i jordbruksområden.
VAWT kan användas för småskaliga turbiner och för pumpning av vatten på landsbygden, men alla kommersiellt producerade, vindkraftverk i nyttoskala är vindkraftverk med horisontell axel ( HAWT ).
Som namnet antyder, HAWT -axeln är monterad horisontellt, parallellt med marken. HAWT:er måste ständigt anpassa sig till vinden med hjälp av en gängjusteringsmekanism. Yaw -systemet består vanligtvis av elmotorer och växellådor som för hela rotorn åt vänster eller höger i små steg. Turbinens elektroniska styrenhet läser positionen för en vindskovelanordning (antingen mekanisk eller elektronisk) och justerar rotorns läge för att fånga upp mest tillgänglig vindkraft. HAWT:er använder ett torn för att lyfta turbinkomponenterna till en optimal höjd för vindhastighet (och så att bladen kan rensa marken) och tar upp väldigt lite markyta eftersom nästan alla komponenter är upp till 260 fot (80 meter) i luft.
Stora HAWT -komponenter:
Från början till slut, processen att generera el från vind - och leverera den elen till människor som behöver den - ser ungefär ut så här:
Till skillnad från den gammaldags holländska väderkvarnens design, som mest förlitade sig på vindens kraft för att driva bladen i rörelse, moderna turbiner mer sofistikerade aerodynamisk principer för att fånga vindens energi mest effektivt. De två primära aerodynamiska krafterna som arbetar i vindturbinrotorer är hiss , som verkar vinkelrätt mot vindflödets riktning; och drag , som verkar parallellt med vindflödets riktning.
Turbinblad är mycket formade som flygplansvingar - de använder en flygplan design. I en flygplan, en yta på bladet är något rundad, medan den andra är relativt platt. Hiss är ett ganska komplext fenomen och kan faktiskt kräva en doktorsexamen. i matte eller fysik för att fullt ut förstå. Men i en förenklad förklaring av lyft, när vinden åker över bladets motvind, det måste röra sig snabbare för att nå bladets ände i tid för att möta vinden som färdas över plattan, bladets uppåtvända sida (i riktning från vilken vinden blåser). Eftersom luft som rör sig snabbare tenderar att stiga i atmosfären, motvind, krökt yta hamnar med en lågtrycksficka strax ovanför. Lågtrycksområdet suger bladet i motvind, en effekt som kallas "hiss". På bladets uppvindssida, vinden rör sig långsammare och skapar ett område med högre tryck som trycker på bladet, försöker sakta ner det. Som i designen av ett flygplan, ett högt lyft-till-drag-förhållande är avgörande för att utforma ett effektivt turbinblad. Turbinblad är vridna så att de alltid kan presentera en vinkel som drar nytta av det ideala lyft-till-drag-kraftförhållandet. Se hur flygplan fungerar för att lära dig mer om hiss, drag och aerodynamiken i ett flygplan.
Aerodynamik är inte den enda designhänsyn som finns i spelet när det gäller att skapa ett effektivt vindkraftverk. Storlek spelar roll - ju längre turbinbladen (och därför större rotorns diameter), ju mer energi en turbin kan fånga upp från vinden och desto större elproduktionskapacitet. Generellt, fördubbling av rotordiametern ger en fyrfaldig ökning av energieffekten. I vissa fall, dock, i ett område med lägre vindhastighet, rotor med mindre diameter kan sluta producera mer energi än en större rotor eftersom med en mindre installation, det tar mindre vindkraft att snurra den mindre generatorn, så att turbinen kan köras med full kapacitet nästan hela tiden. Tornhöjd är en viktig faktor i produktionskapaciteten, också. Ju högre turbin, desto mer energi kan den fånga eftersom vindhastigheterna ökar med höjden ökar-markfriktion och marknivåobjekt avbryter vindens flöde. Forskare uppskattar en ökning av vindhastigheten med 12 procent med varje fördubbling av höjden.
För att beräkna mängden effekt som en turbin faktiskt kan generera från vinden, du måste känna till vindhastigheten på turbinplatsen och turbineffekten. De flesta stora turbiner producerar sin maximala effekt vid vindhastigheter runt 15 meter per sekund (33 mph). Med tanke på stabila vindhastigheter, det är rotorns diameter som avgör hur mycket energi en turbin kan generera. Tänk på att när en rotordiameter ökar, tornets höjd ökar också, vilket innebär mer tillgång till snabbare vindar.
Rotorstorlek och maximal effekt
Vid 33 mph, de flesta stora turbiner genererar sin nominella effektkapacitet, och vid 45 mph (20 meter per sekund), de flesta stora turbiner stängs av. Det finns ett antal säkerhetssystem som kan stänga av en turbin om vindhastigheter hotar strukturen, inklusive en anmärkningsvärt enkel vibrationssensor som används i vissa turbiner som i princip består av en metallkula fäst vid en kedja, står på en liten piedestal. Om turbinen börjar vibrera över ett visst tröskelvärde, bollen faller av piedestalen, dra i kedjan och utlösa en avstängning.
Förmodligen är det vanligaste säkerhetssystemet i en turbin "bromssystem , som utlöses av vindhastigheter över tröskeln. Dessa inställningar använder ett effektkontrollsystem som i huvudsak träffar bromsarna när vindhastigheterna blir för höga och sedan "släpper bromsarna" när vinden är tillbaka under 45 mph. Moderna stora turbinkonstruktioner använder flera olika typer av bromssystem:
(Se Petesters Basic Aerodynamics för en trevlig förklaring av både lyft och stillbild.)
Globalt sett minst 50, 000 vindkraftverk producerar totalt 50 miljarder kilowattimmar (kWh) årligen. I nästa avsnitt, vi kommer att undersöka tillgängligheten av vindresurser och hur mycket el vindkraftverk faktiskt kan producera.
I en global skala, vindkraftverk genererar för närvarande ungefär lika mycket el som åtta stora kärnkraftverk. Det inkluderar inte bara nyckelturbiner, men också små turbiner som genererar el för enskilda hem eller företag (används ibland tillsammans med solceller). En liten, 10-kW-turbin kan generera upp till 16, 000 kWh per år, och ett typiskt amerikanskt hushåll förbrukar cirka 10, 000 kWh på ett år.
Ett typiskt stort vindkraftverk kan generera upp till 1,8 MW el, eller 5,2 miljoner KWh årligen, under idealiska förhållanden - tillräckligt för att driva nästan 600 hushåll. Fortfarande, kärnkraft- och kolkraftverk kan producera el billigare än vindkraftverk. Så varför använda vindkraft? De två största anledningarna till att använda vind för att generera el är de mest uppenbara:Vindkraft är rena , och det är förnybar . Det släpper inte ut skadliga gaser som CO2 och kväveoxider i atmosfären som kol gör (se hur global uppvärmning fungerar), och vi riskerar inte att ta slut på vinden snart. Det finns också självständigheten i samband med vindenergi, som vilket land som helst kan generera det hemma utan utländskt stöd. Och ett vindkraftverk kan föra el till avlägsna områden som inte servas av det centrala elnätet.
Men det finns nackdelar, för. Vindkraftverk kan inte alltid köras med 100 procent effekt som många andra typer av kraftverk, eftersom vindhastigheterna varierar. Vindkraftverk kan vara bullriga om du bor nära en vindkraftverk, de kan vara farliga för fåglar och fladdermöss, och i hårt packade ökenområden finns det risk för markerosion om du gräver upp marken för att installera turbiner. Också, eftersom vinden är en relativt opålitlig energikälla, operatörer av vindkraftverk måste säkerhetskopiera systemet med en liten mängd pålitliga, icke-förnybar energi för tider då vindhastigheterna försvinner. Vissa hävdar att användningen av oren energi för att stödja produktionen av ren energi upphäver fördelarna, men vindindustrin hävdar att mängden oren energi som är nödvändig för att upprätthålla en stadig elförsörjning i ett vindsystem är alldeles för liten för att besegra fördelarna med att generera vindkraft.
Potentiella nackdelar åt sidan, USA har ett stort antal vindkraftverk installerade, sammanlagt mer än 9, 000 MW produktionskapacitet under 2006. Den kapaciteten genererar cirka 25 miljarder kWhof -el, vilket låter som mycket men är faktiskt mindre än 1 procent av kraften som genereras i landet varje år. Från och med 2005, USA:s elproduktion går sönder så här:
Källa:American Wind Energy Association
Den nuvarande totala elproduktionen i USA ligger på cirka 3,6 biljoner kWh varje år. Vind har potential att generera mer än 1 procent av den elen. Enligt American WindEnergy Association, den uppskattade amerikanska vindenergipotentialen är cirka 10,8 biljoner kWh per år-ungefär lika med energimängden i 20 miljarder fat olja (den nuvarande globala årliga oljeförsörjningen). För att få fram vindkraft på ett visst område, det kräver minsta vindhastigheter på 9 mph (3 meter per sekund) för små turbiner och 13 mph (6 meter per sekund) för stora turbiner. Dessa vindhastigheter är vanliga i USA, även om det mesta är obearbetat.
När det gäller vindkraftverk, placering är allt. Vet hur mycket vind ett område har, vad hastigheterna är och hur långa dessa hastigheter är de avgörande faktorerna för att bygga en effektiv vindkraftpark. Den rörelseenergi i vinden ökar exponentiellt i proportion till dess hastighet, så en liten ökning av vindhastigheten är faktiskt en stor ökning av effektpotentialen. Den allmänna tumregeln är att med fördubbling av en vindhastighet kommer en åttafaldig ökning av effektpotentialen. en turbin i ett område med en genomsnittlig vindhastighet på 26 km / h kommer faktiskt att generera åtta gånger mer el än en uppsättning där vindhastigheterna är i genomsnitt 13 mph. Det är "teoretiskt" eftersom verkligheten i verkligheten, det finns en gräns för hur mycket energi en turbin kan extrahera från vinden. Det kallas Betz -gränsen, och det är cirka 59 procent. Men en liten ökning av vindhastigheten leder fortfarande till en betydande ökning av effekt.
Som på de flesta andra områden av kraftproduktion, när det gäller att fånga energi från vinden, effektiviteten finns i stort antal. Grupper av stora turbiner, kallad Vindkraftverk eller vindkraftverk, är den mest kostnadseffektiva användningen av vindkraftskapacitet. De vanligaste vindkraftverken i bruksskala har en effektkapacitet mellan 700 KW och 1,8 MW, och de samlas för att få ut så mycket el som möjligt av vindresurserna. De är vanligtvis långt ifrån varandra på landsbygden med höga vindhastigheter, och det lilla fotavtrycket av HAWT innebär att jordbruksanvändningen av marken är nästan opåverkad. Vindkraftparker har en kapacitet som sträcker sig från några få MW till hundratals MW. Världens största vindkraftverk är vindparken Raheenleagh som ligger utanför Irlands kust. Vid full kapacitet (den arbetar för närvarande med halv kapacitet), det kommer att ha 200 turbiner, en total effekt på 520 MW och kostade nästan 600 miljoner dollar att bygga.
Kostnaden för vindkraft i nyckelskala har sjunkit dramatiskt under de senaste två decennierna på grund av tekniska framsteg och konstruktiva framsteg inom produktion och installation av turbiner. I början av 1980 -talet vindkraft kostar cirka 30 cent per kWh. Under 2006, vindkraft kostar så lite som 3 till 5 cent per kWh där vinden är särskilt riklig. Ju högre vindhastighet över tid i ett visst turbinområde, desto lägre blir kostnaden för den el som turbinen producerar. I genomsnitt, kostnaden för vindkraft är cirka 4 till 10 cent per kWh i USA.
Jämförelse av energikostnaderMånga stora energibolag erbjuder " grön prissättning "program som låter kunderna betala mer per kWh för att använda vindkraft istället för energi från" systemkraft, "som är poolen för all el som produceras i området, förnybar och icke förnybar. Om du väljer att köpa vindkraft och du bor i den allmänna närheten av en vindkraftspark, den elektricitet du använder i ditt hem kan faktiskt vara vindgenererad; oftare, det högre priset du betalar går för att stödja kostnaden för vindenergi, men den elektricitet du använder i ditt hem kommer fortfarande från systemström. I stater där energimarknaden har avreglerats, konsumenter kan kanske köpa "grön el" direkt från en leverantör av förnybar energi, i så fall kommer elen de använder i sina hem definitivt från vind eller andra förnybara källor.
Att implementera ett litet vindkraftsystem för dina egna behov är ett sätt att garantera att energin du använder är ren och förnybar. En installation för bostads- eller företagsturbiner kan kosta allt från $ 5, 000 till $ 80, 000. En storskalig installation kostar mycket mer. En enda, 1,8 MW turbin kan installera upp till 1,5 miljoner dollar, och det inkluderar inte landet, överföringsledningar och andra infrastrukturkostnader i samband med ett vindkraftsystem. Övergripande, vindkraftparker kostar i området $ 1, 000 per kW kapacitet, så en vindkraftspark som består av sju 1,8 MW turbiner driver cirka 12,6 miljoner dollar. "Återbetalningstid" för ett stort vindkraftverk - den tid det tar att generera tillräckligt med el för att kompensera för den energiförbrukade byggnaden och installationen av turbinen - är cirka tre till åtta månader, enligt American Wind Energy Association.
Statliga incitament för både stora och småskaliga producenter bidrar till det ekonomiska genomförandet av ett vindkraftsystem. Några av de nuvarande ekonomiska incitamentsprogrammen för förnybara energisystem inkluderar:
Medan vindenergi fortfarande subventioneras av regeringen, det är för närvarande en konkurrensprodukt och, av de flesta konton, kan stå på egen hand som en livskraftig kraftkälla. Battelle Pacific Northwest Laboratory, ett amerikanskt Department ofEnergy science and technology lab, uppskattar att vindkraft kan leverera 20 procent av USA:s el baserat enbart på vindkällor. American Wind Energy Association sätter den siffran till en teoretisk 100 procent. Vilken uppskattning som helst stämmer Förenta staterna kommer förmodligen inte att se dessa procentsatser snart. The American Wind Energy Association planerar att 2020, vind kommer att ge 6 procent av all el i USA. Medan USA har en av de största installerade vindkraftsbaserna i världen när det gäller härlig effekt, procentuellt sett, det ligger efter andra utvecklade länder. Storbritannien har ett uttalat mål om 10 procent vindkraft år 2010. Tyskland genererar för närvarande 8 procent av sin kraft från vinden, och Spanien ligger på 6 procent. Danmark, världsledande inkl energianvändning, får mer än 20 procent av sin el från vinden.
För mer information om vindkraft och relaterade ämnen, kolla in länkarna på nästa sida.
Relaterade artiklar om HowStuffWorks
