風力タービン

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背景

風力タービンは、風の運動エネルギーを回転力学的エネルギーに変換する機械であり、それが仕事に使用されます。より高度なモデルでは、回転エネルギーは、発電機を使用して、最も用途の広い形のエネルギーである電気に変換されます。

何千年もの間、人々は風車を使って水を汲み上げたり、穀物を挽いたりしてきました。 20世紀に入っても、アメリカの家や牧場では、家の配管システムや牛の給水桶に水を汲み上げるために、完全に金属製の細長いマルチベーン風力タービンが使用されていました。第一次世界大戦後、発電可能な風力タービンの開発に着手しました。 Marcellus Jacobsは、1927年にプロトタイプを発明しました。このプロトタイプは、ラジオといくつかのランプに電力を供給できますが、それ以外はほとんど供給できません。後で電力需要が増加したとき、ジェイコブスの小さくて不十分な風力タービンは使用されなくなりました。

米国で最初に建設された大型風力タービンは、1934年にパーマーコスレットパトナムによって考案されました。彼は1941年にそれを完成させました。機械は巨大でした。塔の高さは36.6ヤード（33.5メートル）で、2つのステンレス鋼 ブレードの直径は58ヤード（53メートル）でした。パトナムの風力タービンは、1,250キロワットの電力、または小さな町のニーズを満たすのに十分な電力を生成する可能性があります。しかし、機械的な故障のために1945年に放棄されました。

1970年代の石油禁輸により、米国は風力タービンから安価な電力を生産する可能性をもう一度検討し始めました。 1975年にプロトタイプMod-Oが稼働していました。これは、2つの21ヤード（19メートル）のブレードを備えた100キロワットのタービンでした。さらに多くのプロトタイプ（Mod-OA、Mod-1、Mod-2など）が続き、それぞれが以前のものよりも大きく、より強力になりました。現在、米国エネルギー省は、マシンあたり3,200キロワットを超えることを目指しています。

風力タービンにはさまざまなモデルがありますが、最も印象的なのは、卵ビーターのような形をした垂直軸のダリウスです。ただし、商業メーカーによって最もサポートされているモデルは、約100キロワットの容量と、長さが33ヤード（30メートル）以下の3つのブレードを備えた水平軸タービンです。 3枚のブレードを備えた風力タービンは、2枚のブレードを備えた風力タービンよりもスムーズに回転し、バランスを取りやすくなっています。また、大型の風力タービンはより多くのエネルギーを生成しますが、小型のモデルは大きな機械的故障を起こす可能性が低く、したがって保守がより経済的です。

風力発電所は、米国中、特にカリフォルニアで生まれました。風力発電所は、風力発電が良好な地域に設置された風力タービンの巨大な配列です。かなりの人口のニーズを満たすのに十分な電力を生産するためには、相互接続された多数の風力タービンが必要です。現在、いくつかの風力エネルギー会社が所有する風力発電所の17,000基の風力タービンは、年間37億キロワット時の電力を生産しており、50万世帯のエネルギー需要を満たすのに十分です。

原材料

風力タービンは、タワー、ナセル、ローターブレードの3つの基本部品で構成されています。塔は、電気塔に似た鉄塔か、ナセルへのはしごが内側にある鋼管塔のいずれかです。 風力タービンを建設する最初のステップは、タワーを建てることです。タワーの鉄鋼部品は工場の敷地外で製造されていますが、通常は現場で組み立てられます。組み立て前に部品をボルトで固定し、配置するまでタワーを水平に保ちます。クレーンがタワーを所定の位置に持ち上げ、すべてのボルトを締め、完了時に安定性をテストします。
次に、グラスファイバーナセルを取り付けます。その内部の仕組み（メインドライブシャフト、ギアボックス、ブレードのピッチとヨーの制御）は、工場で組み立てられ、ベースフレームに取り付けられています。次に、ナセルが機器の周りにボルトで固定されます。現場では、ナセルが完成したタワーに持ち上げられ、ボルトで固定されます。ほとんどのタワーには、サポートに使用されるケーブルである人がいません。ほとんどのタワーは、保護のために亜鉛合金でコーティングされた鋼で作られていますが、代わりに塗装されているものもあります。典型的なアメリカ製のタービンの塔は、高さが約80フィート、重さが約19,000ポンドです。

ナセルは、風力タービンの内部構造を含む強力な中空シェルです。通常はグラスファイバー製で、ナセルにはメインドライブシャフトとギアボックスが含まれています。また、ブレードピッチ制御、ブレードの角度を制御する油圧システム、および風に対するタービンの位置を制御するヨードライブも含まれています。発電機と電子制御装置は標準装備であり、その主成分は鋼と銅です。現在のタービンの典型的なナセルの重量は約22,000ポンドです。

材料の最も多様な使用と新しい材料での最も多くの実験は、ブレードで行われます。商用風力タービンのブレードに使用される最も主要な材料は中空コアのグラスファイバーですが、使用されている他の材料には軽量の木材やアルミニウムが含まれます。木製のブレードは中実ですが、ほとんどのブレードは、中空であるか、発泡プラスチックやハニカムなどの軽量物質、またはバルサ材で満たされたコアを囲むスキンで構成されています。典型的なグラスファイバーブレードの長さは約15メートル、重さは約2,500ポンドです。

風力タービンには、風力エネルギーを電気に変換し、タワーの基部に配置されているユーティリティボックスも含まれています。さまざまなケーブルがユーティリティボックスをナセルに接続し、他のケーブルはタービン全体を近くのタービンと変圧器に接続します。

製造
プロセス

個々の風力タービンの建設を検討する前に、メーカーは風力発電所の設置に適したエリアを決定する必要があります。風は一定でなければならず、その速度は時速15.5マイル（時速25キロメートル）を定期的に超えている必要があります。特定の季節に風が強い場合は、電力使用量が最大の期間に最も風が強くなることが好ましい。たとえば、世界最大の風力発電所があるカリフォルニアのアルタモントパスでは、需要が高い夏に風速がピークに達します。風力発電所が検討されているニューイングランドの一部の地域では、風が最も強いのは冬です。 ナセルは、メインドライブなどの風力タービンの内部構造を含む強力な中空シェルです。シャフトとギアボックス。また、ブレードピッチ制御、ブレードの角度を制御する油圧システム、および風に対するタービンの位置を制御するヨードライブも含まれています。現在のタービンの典型的なナセルの重量は約22,000ポンドです。加熱すると電力消費量が増加します。風力発電所は、山に囲まれたわずかに起伏のある土地のオープンエリアで最もよく機能します。これらのエリアは、風力タービンを尾根に配置して木や建物に遮られないようにすることができ、山が空気の流れを集中させて、より強く、より速い風の自然な風洞を作成するため、好まれます。風力発電所はまた、地元の発電所への電力の移動を容易にするために、ユーティリティラインの近くに配置する必要があります。

サイトの準備

• 1風力発電所が建設される場合は常に、部品を輸送するための道を作るために道路が切断されます。各風力タービンの場所で、土地は傾斜し、パッド領域は平らになります。 コンクリート 次に、基礎が地面に敷設され、続いて地下ケーブルが設置されます。これらのケーブルは、風力タービンを相互に直列に接続し、すべてのケーブルをリモートコントロールセンターに接続します。リモートコントロールセンターでは、風力発電所が監視され、電力が電力会社に送られます。

塔を建てる

• 2タワーの鉄鋼部品は工場のオフサイトで製造されますが、通常はオンサイトで組み立てられます。組み立て前に部品をボルトで固定し、配置するまでタワーを水平に保ちます。クレーンがタワーを所定の位置に持ち上げ、すべてのボルトを締め、完了時に安定性をテストします。

ナセル

• 3タワーのようなグラスファイバーナセルは、工場のオフサイトで製造されます。ただし、タワーとは異なり、工場で組み立てられています。その内部の仕組み（メインドライブシャフト、ギアボックス、ブレードのピッチとヨーのコントロール）が組み立てられ、ベースフレームに取り付けられます。次に、ナセルがボルトで固定されます 各風力タービンのユーティリティボックスと風力発電所の電気通信システムは、ナセルとブレード。ケーブルは、ナセルからユーティリティボックスまで、およびユーティリティボックスからリモートコントロールセンターまで配線されています。機器の周り。現場では、ナセルが完成したタワーに持ち上げられ、ボルトで固定されます。

ロータリーブレード

• 4アルミニウムのブレードは、アルミニウムのシートをボルトで固定することによって作成されます。一方、木製のブレードは、断面が飛行機の翼に似た空力プロペラを形成するように彫られています。
• 5ただし、ブレードの数が圧倒的に多いのは、グラスファイバーでできていることです。ガラス繊維の製造は骨の折れる作業です。まず、ハマグリの殻のように半分になっているが、刃のような形をした型を用意します。次に、ガラス繊維と樹脂の複合混合物を型の内面に塗布し、次にそれを閉じます。その後、グラスファイバー混合物は数時間乾燥する必要があります。その間、金型内の空気で満たされたブラダーは、ブレードがその形状を維持するのに役立ちます。ガラス繊維が乾いた後、型を開き、ブラダーを取り外します。ブレードの最終的な準備には、クリーニング、サンディング、2つの半分のシール、および塗装が含まれます。
• 6ブレードは通常、タワーに配置された後、ナセルにボルトで固定されます。地上での組み立てが容易なため、3極ブレードでは、持ち上げる前に2つのブレードがナセルにボルトで固定され、ナセルが所定の位置に配置された後に3番目のブレードがボルトで固定される場合があります。

制御システムのインストール

• 7各風力タービンのユーティリティボックスと風力発電所の電気通信システムは、ナセルとブレードの配置と同時に設置されます。ケーブルは、ナセルからユーティリティボックスまで、およびユーティリティボックスからリモートコントロールセンターまで配線されています。

品質管理

ほとんどの製造プロセスとは異なり、風力タービンの製造には品質管理に関する懸念はほとんどありません。風力タービンの大量生産はかなり新しいため、基準は設定されていません。現在、政府と製造業者の両方の側でこの分野で努力がなされています。

稼働中の風力タービンは90％の時間稼働すると考えられていますが、特にブレードでは、依然として多くの構造上の欠陥が発生しています。製造直後にひび割れが発生する場合があります。位置合わせおよび組み立てエラーによる機械的故障が一般的です。電気センサーは、電力サージが原因で頻繁に故障します。非油圧ブレーキは信頼できる傾向がありますが、油圧ブレーキシステムはしばしば問題を引き起こします。これらの困難を解決するために既存の技術を使用する計画が開発されています。

風力タービンには、故障を最小限に抑えるために定期的なメンテナンススケジュールがあります。 3か月ごとに検査を受け、6か月ごとに大規模な保守点検が予定されています。これには通常、可動部品の潤滑とギアボックス内のオイルレベルのチェックが含まれます。作業員が現場で電気システムをテストし、発電機や接続部の問題に注意することも可能です。

環境上の利点
と欠点

無尽蔵の風で発電する風力タービンは、汚染を引き起こしません。比較すると、石炭、石油、天然ガスは、1キロワット時あたり1〜2ポンドの二酸化炭素（温室効果と地球温暖化に寄与する排出物）を生成します。風力エネルギーが電気の必要性に使用される場合、この目的のための化石燃料への依存は減少します。風力タービンによる現在の年間発電量（37億キロワット時）は、400万バレルの石油または100万トンの石炭に相当します。

風力タービンには、環境上の欠点が完全にないわけではありません。多くの人々は、特に巨大な風力発電所が手付かずの荒野の近くに建設されている場合、それらを美的ではないと考えています。鳥の殺害が記録されており、回転するブレードはかなりのノイズを発生します。これらの影響を減らすための取り組みには、荒野や鳥の渡りのルートと一致しない場所の選択や、騒音を減らす方法の研究が含まれます。

未来

将来は風力タービンでのみ良くなることができます。風力エネルギーの可能性はほとんど未開拓です。米国エネルギー省は、1995年までに現在生産されている電力量の10倍を達成できると見積もっています。2005年までに、現在の生産量の70倍が可能になります。これが達成されれば、風力タービンは米国の発電量の10パーセントを占めることになります。

現在、風力資源の知識を増やすための研究が行われています。これには、風が信頼できて強い場所に風力発電所を設置する可能性について、ますます多くの地域をテストすることが含まれます。機械の寿命を5年から20年から30年に延長し、ブレードの効率を改善し、より優れた制御を提供し、より長持ちする駆動列を開発し、より優れたサージ保護と接地を可能にする計画が実施されています。米国エネルギー省は最近、現在可能であるよりも高い効率評価を備えた風力タービンを構築するために、最新の研究を実施するためのスケジュールを設定しました。 （理想的な風力タービンの効率は59.3％です。つまり、風のエネルギーの59.3％を取り込むことができます。実際に使用されているタービンの効率は約30％です。）米国エネルギー省は、3つの企業と研究契約を結んでいます。機械的故障を減らす方法。このプロジェクトは1992年の春に始まり、今世紀の終わりまで続きます。

風力タービンは、今後数年間でより普及するでしょう。世界最大の風力タービンメーカーであるUSWindpowerは、1995年までに容量420メガワット（4,200台）から800メガワット（8,000台）に拡大する予定です。2000年までに2,000メガワット（20,000台）になる予定です。その他風力タービンメーカーも生産数を増やす予定です。風力タービンの可能性を議論するために、いくつかの先進国で構成される国際委員会が結成されました。 1920年代に建設されたMarcellusJacobsと同様の小型風力タービンを開発途上国に提供するための取り組みも行われています。すでにヨーロッパの風力発電の70％から80％を生産しているデンマークは、風力タービンの製造を拡大する計画を策定しています。世紀の変わり目には、適切に配置され、効率的で、耐久性があり、多数の風力タービンが登場するはずです。