Енергия на вятъра
От столетия насам ние използваме енергията на вятъра. Вятърните мелници са имали широко приложение в меленето на зърно и изпомпването на вода. Днес модерните им еквиваленти – вятърните турбини – могат да използват вятъра за да създават електричество.
Вятърните турбини, също като мелниците, се монтират на кула за да улавят максимална енергия. На височина над 30 метра те се възползват от по-бързия и по-малко турбулентен вятър.
Турбините улавят енергията на вятъра посредством лопатки с формата на перка. Обикновено 2 или 3 лопатки се монтират на вал и така образуват ротор.
Лопатката действа като самолетно крило. Когато вятърът духа, от страната по посока на вятъра се образува въздушен „джоб“ с ниско налягане. След това този „джоб“ издърпва лопатката към себе си, карайки ротора да се върти. Това се нарича издигане. В действителност, силата на издигане е много по-голяма от силата на вятъра в предната част на лопатката, наречена челно съпротивление. Комбинацията от издигане и челно съпротивление кара ротора да се върти като перка, а валът завърта генератор, който произвежда електричество.
Вятърните турбини могат да се използват както самостоятелно, така и включени към друг енергиен източник, например слънчева батерия.
2. Основни принципи на действие на вятърните турбини
Фигурата 5.2 изобразява основните аеродинамични принципи на действие на въздушна турбина с хоризонтална ос.
Вятърът преминава от двете страни на лопатката. Той се движи по-бързо над по-дългата (горната) страна, създавайки зона с по-ниско налягане над лопатката. Разликата в наляганията на горната и долната повърхност предизвиква сила, наречена аеродинамично издигане. При самолетите тази сила ги издига във въздуха. Но тъй като лопатките се въртят в една равнина, силата предизвиква въртене. В добавка към тази сила действа и сила на съпротивление, перпендикулярна на нея. Тя пречи на въртенето на ротора. Основна задача в дизайна на въздушните турбини е достигането на голямо съотношение между силата на издигане и челното съпротивление. Това съотношение може да се изменя с цел оптимизиране на изходящата енергия при различни скорости на вятъра.
3. Основни конфигурации на вятърните турбини
Най простото устройство за преобразуване на вятърната енергия е вятърната турбина. Макар и да съществуват различни конфигурации, турбините се делят на два основни типа:
3.1 вятърни турбини с вертикална ос, при които оста на въртене е вертикално разположена спрямо земната повърхност и почти перпендикулярна на въздушния поток
3.2 вятърни турбини с хоризонтална ос, при които оста на въртене е хоризонтално разположена спрямо земната повърхност и почти успоредна на въздушния поток.
4. Изчисляване на мощността при дадена скорост на вятър
кинетична енергия = 0,5.m.v2
Мощност в областта „пометена“ от ротора: P = 0,5.ρ.A .v3
Мощност на турбината: P = 0,5.ρ.A.Cp.v3.Ng.Nb