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.
Эти ранние ветряные мельницы использовались именно для того, что подразумевает их название — это были мельницы, управляемые ветром. Ветер вращал лопасти, или лопасти, ветряной мельницы, вращая центральный вал, который затем вращал зерновую мельницу, обычно сделанную из больших плоских камней, чтобы производить муку и другие зерновые продукты. Эти ветряные мельницы служили и другой жизненно важной цели — откачиванию воды в города и дома. Вместо того чтобы вращать зерновую мельницу, вращение ветряной мельницы можно было бы использовать для привода насоса.
В то время как ветряные мельницы существовали веками, ветряные турбины существовали только примерно с 1888 года, когда первая известная ветряная турбина, созданная для производства электроэнергии в США, была построена изобретателем Чарльзом Брашем, чтобы создать электричество для своего особняка в Огайо. Ветряные турбины используются для выработки электроэнергии из вращающихся лопастей, а не просто для преобразования этой вращающейся энергии в более механическую работу, такую как вращение мельницы или перекачка воды.
"Ветряная турбина в Соединенных Штатах имеет высоту около 280 футов (85 метров), в то время как более старая ветряная мельница обычно не достигает 80 футов (24 метра)",-говорит Джеймс Херцинг, инженер и удостоенный наград ведущий непрофессионального инженерного подкаста, в интервью электронной почте. - Размер парусов или лопастей-еще одна большая разница. Ветряные мельницы традиционно измеряются диаметром колес, и нередко можно увидеть 8-футовую (2-метровую) ветряную мельницу, где 8 футов измеряются поперек лопастей. Ветряные турбины, с другой стороны, могут иметь одну лопасть длиной более 100 футов (30 метров)."
Как Работают Ветряные Мельницы
Хотя ветряные мельницы являются одними из самых старых и наиболее важных машин для цивилизации и обычно используются для перекачки 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 и поэтому должны использовать воздушные потоки вблизи Земли для вращения. Поскольку ветровые потоки обычно меньше вблизи поверхности Земли, чем в более высоких атмосферах, ветряные мельницы должны иметь более крупные лопасти, чтобы улавливать как можно больше ветра.
В то время как ветряные мельницы были вокруг с 800 года н. э. или около того, они действительно распространились в популярности в середине 1800-х годов. Вызванные промышленной революцией в последующие десятилетия после 1850 года, более 6 миллионов механических ветряных мельниц были установлены только в США для питания насосов и заводов и удовлетворения других энергетических потребностей.
Эта популярность была обусловлена простотой ветряных мельниц как механических генераторов энергии. Просто поставив ветряную мельницу с множеством лопастей, вы можете быстро получить доступ к свободному механическому источнику энергии. Благодаря вращению лопастей эта вращательная энергия может использоваться для привода машин через зубчатые передачи или использоваться для выталкивания и вытягивания воды из земли с помощью простых водяных штанговых насосов.
По мере популяризации ветряных мельниц в современной промышленности развивалось и совершенствовалось еще одно изобретение-генератор.
Вместо того чтобы использовать ветряную мельницу только тогда, когда дует ветер, генератор позволит накапливать энергию вращения, преобразуя ее в электричество. Таким образом, развитие ветрогенераторов стало 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 – превращение ветра во вращательную энергию, – но то, что он делает дальше, отличается. Ветряные турбины имеют внутри себя генераторы, обычно непосредственно соединенные с вращающимся лопастным стержнем. При вращении генератора вырабатывается электрический ток, который можно использовать для зарядки батарей, подачи в сеть или непосредственного запуска электронных устройств. Лучший способ понять, как это работает, - рассмотреть двигатель, но в обратном порядке Электрический двигатель использует электричество для создания движения, в то время как ветряная турбина использует движение для производства электричества.
Более конкретно, лопасти ветряной турбины улавливают кинетическую энергию – энергию, созданную движением-ветра и преобразуют ее во вращательную энергию. Эта вращательная энергия затем подается через ряд шестерен для увеличения скорости генератора.
Эти турбины обычно начинают вырабатывать 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 выходили из строя или не повреждали себя, по данным Американской ассоциации ветроэнергетики.
В то время как ветряные турбины производят электричество, они технически не так эффективны, как ветряные мельницы. Ветряные турбины имеют максимальную эффективность 59 процентов, что-то известное как предел Бетца, что связано с невозможностью использовать всю энергию ветра и неэффективностью преобразования вращательной энергии в механическую энергию.
От древних технологий к Энергии Будущего
Даже при всей своей неэффективности ветряные турбины - это способ использования ветра и создания электричества в будущем. Джеймс говорит, что он " видит ветряные турбины как неотъемлемую часть сокращения и, в конечном счете, устранения нашей зависимости от углеродного топлива. Типичный ветровой проект окупает свой углеродный след в течение шести месяцев, обеспечивая десятилетия энергии с нулевым выбросом. На самом деле, некоторые страны, такие как Шотландия, уже вложили достаточно средств в ветроэнергетику, чтобы она могла производить достаточно энергии, чтобы питать два шотландских острова!"
В 2018 году ветер производил примерно 5 процентов мировой электроэнергии, что делало его вторым по величине возобновляемым источником энергии после гидроэнергетики. От первого использования ветряной мельницы в качестве механической основы ранней персидской и китайской цивилизации до современных массивных ветряных турбин, основная технология здесь останется.