風力タービンを理解する

今日の米国では、風力タービンは一般的で最もクリーンな発電方法の 1 つです。この発電は、大規模な風力発電所から 1 軒の家に電力を供給する小さなタービンまで行われます。世界中の風力タービンは、さまざまな電力ニーズに対応できるクリーンな電力を生み出しています。

今日は、風力タービンの定義、アプリケーション、機能、コンポーネント、図、タイプ、および動作について知ることができます。また、これらのタイプの風力タービンの長所と短所についても知ることができます。

風力タービンとは

風力タービンは、風の運動エネルギーをクリーンな電気に変換する機械です。また、風の運動エネルギーをクリーンで再生可能な電気エネルギーに変換するデバイスと見なすこともできます。

タービンには、技術にもよりますが、毎分 13 ～ 20 回転するブレードがあります。これは、速度が一定または可変であることが原因である可能性があります。つまり、ローターの速度は、風速に応じて異なります。これにより、効率が向上することがよくあります。

風力タービンは、平均寿命が 25 年以上になるように設計されています。風力技術の急速な進化により、風力タービンの耐久性と使いやすさが向上しました。

風力タービンには、水平軸または垂直軸のさまざまなサイズとタイプがあります。それらは風力発電所と呼ぶことができます 何十万もの大型タービンが設置されている場所。それらは 650 ギガワットを超える電力を生成し、毎年 60 ギガワットが追加されるため、断続的な再生可能エネルギー源としてますます重要になっています。ほとんどの国では、風力タービンを採用して、エネルギー コストを削減し、化石燃料の使用を削減しています。

風力タービンの応用

人間のほとんどすべての現象でエネルギーが必要とされるため、風力タービンの用途は非常に広範です。風力エネルギーの初期の使用以来、機械動力を生成するために使用されてきました。紀元前 5000 年には、エジプト人は風力エネルギーを利用してナイル川でボートを推進していました。アメリカの入植者は、製材所で水をくみ上げ、穀物を挽き、木材を切るためにこのシステムを使用しています。

今日、小型の風力タービンは、電力交通警告標識、ボートやキャラバンの補​​助電源用のバッテリー充電などの用途に使用されています。大型のタービンは、未使用の電力が配電網を通じて電力会社に売戻されるため、国内の電力供給に貢献するように設計されています。

さらに、大型タービンでは、100 キロワットから数メガワットの電力をグリッドに供給する用途があります。これらの実用規模のタービンは、多くの場合、風力発電所にグループ化されるため、より多くの電力を生産できます。生成される十分な電力は、何万もの家庭に電力を供給できます。

小型の風力タービンでは、通常、アプリケーションに電力を供給します。たとえば、給水ポンプ ステーション、家庭、電気通信アンテナなどの近くです。最大 100 キロワットを生成します。このタービンは、ディーゼル発電機、バッテリー、および太陽光発電システムに接続されることがあります。ハイブリッド風力システムとも呼ばれます。

最後に、洋上風力タービンは巨大で背が高くなる傾向があります。強力な海風を捉え、約 4,000 ギガワットの膨大な量のエネルギーを生成することができます。強力なエネルギーを利用するために、多くの国でよく使用されます。

注意 :風力タービンの主な機能は、電力を生成するか、それを機械エネルギーとして直接使用することです。

風力タービンのコンポーネント

風力タービンは、配電のために風力エネルギーを電気エネルギーに変換します。以下は、従来の水平軸タービンのコンポーネントです。

• ローター – 風力エネルギーを低速回転エネルギーに変換するブレードを含め、デバイスのコストの約 20% を要しました。
• 発電機 – 風力タービンのコストの約 34% が必要でした。これには、発電機、制御電子機器、ギアボックス (遊星ギアボックスなど)、可変速ドライブ、無段変速機が含まれます。これらの風力タービン コンポーネントは、入ってくる低速回転を発電に適した高速回転に変換する役割を果たします。
• 周辺構造 – 風力タービンのコストの約 15% で、タワーとローター ヨー機構を含みます。

風力タービン システムの図:

風力タービンの種類

基本的に、水平軸と垂直軸の 2 種類の風力タービンがあります。

水平軸風力タービン:

今日使用されているほとんどの風力タービンは水平軸です。つまり、プロペラ スタイルのブレードは水平軸を中心に回転するように設計されています。これらのタイプの風力タービンは風上にあります。つまり、風はタワーの前でブレードに当たります。ダウンウィンドはもう 1 つのタイプで、ブレードの前に風がタワーに当たります。

風上では、ヨー ドライブとモーターを使用します。これらのコンポーネントは、ナセルを回転させて、風向きが変わったときにローターを風に向けたままにします。これは、大型タービンのヨーシステムに取り付けられた風センサーを使用して実現されます。小さなタービンは単純な風向計の先を向いています。

水平軸風車はHAWTと略されます。今日では、タワーの風上にブレードを備えた大型の 3 ブレード水平軸風力タービンが、今日の世界で圧倒的多数の風力発電を生み出すのが一般的です。

ダウンウィンド タービン タイプは、風に合わせて維持するための追加のメカニズムを排除するために構築されました。そのブレードは強風で曲がるように設計されているため、風が当たる領域が減少し、風の抵抗が減少します。

ダウンウィンドが提供する利点にもかかわらず、アップウィンドのデザインは依然として好まれています。これは、各ブレードが支持タワーの後ろを通過するときに風による負荷が変化し、タービンが損傷する可能性があるためです.

垂直軸風力タービン:

垂直軸風力タービンまたは VAWT は、メイン ローター シャフトが垂直に配置されています。この配置の目的は、タービンが風を効果的に向ける必要がないことです。これは、風向きが非常に変化しやすいサイトにとって有利です。タービンは本質的に操縦しにくいため、タービンが建物に組み込まれている場合にも利点があります。

これらのタイプの風力タービンでは、ローター アセンブリから地上のギアボックスへの直接駆動を使用して、発電機とギアボックスを地面の近くに配置できます。これにより、メンテナンスのアクセシビリティが向上します。ただし、これらの設計では、時間の経過とともに平均化されるエネルギーがはるかに少なくなり、これが大きな欠点です。

垂直タービン タイプは、水平設計よりもはるかに効率が低くなります。回転速度が比較的低く、結果的にトルクが高くなり、ドライブトレインのコストが高くなることも、システムに影響を与えます。これらのタイプの風力タービンは、主に 2 つの設計に分類されます。

抗力ベース、またはサボニウス タービン – 通常、垂直軸を中心に回転する固体ベーンを備えたローターを備えています。

リフトベース、またはダリウス タービン – エッグビーターの形をしているように見えるものもありますが、背が高く垂直な翼形をしています。風の尖塔は揚力を利用したタービンの一種ですが、まだ独立した​​試験が行われています。

風力タービンの働き

風力タービンの動作はそれほど複雑ではなく、簡単に理解できます。ほとんどの風力タービンは 3 枚のブレードで構成されていますが、2 枚のブレードを備えたものが一般的です。これらのブレードは、管状鋼で作られたタワーに取り付けられています。タワーは地上 100 フィート以上にあるため、タービンはより高い高度で見られるより速い風速を利用します。

風のエネルギーは、飛行機の翼のように見えるプロペラのようなブレードでキャッチされます。そのため、風が吹くと、ブレードの片側に低圧の空気のポケットが形成されます。この低圧のエア ポケットがブレードを引き寄せ、ローターを回転させます。これはリフトとして知られています。左の力は、ブレードの前面に対する風の力よりもはるかに強く、抗力と呼ばれます。揚力と抗力の組み合わせにより、ローターはプロペラのように回転します。

一連のギアを使用して、ローターの回転を毎分約 18 回転から増加させます。これは毎分約 1,800 回転で、タービンの発電機が AC 電気を生成することを可能にします。

先に述べたように、ナセルはいくつかの重要なタービン コンポーネントを収容する部分です。これらには、タービン タワーの上部に取り付けられたローター、ギア、発電機が含まれます。これらのナセルは十分な大きさです。もう 1 つの重要な部分は、ローターの速度が時速 55 マイルを超えないようにするタービン コントローラーです。これにより、強風からシステムを安全に保つことができます。

風速計はシステムで使用され、風速を継続的に測定し、データをコントローラーに送信します。ナセルには、緊急時にローターを機械的、電気的、または油圧的に停止させるブレーキも含まれています。

風力タービンの仕組みについて詳しくは、以下のビデオをご覧ください:

風力タービンの長所と短所

利点:

以下は、さまざまな用途における風力タービンの利点です。

• 高いタワーとベースを備えた HAWT は、ウィンド シアーのある場所でより強い風にアクセスできるようにします。
• ブレードが風に対して垂直に動き、HAWT の回転全体を通して電力を受け取るため、高効率。

VAWT の場合

• どんな風向きでも発電します
• 水平軸風力タービンと比べて生産コストが低い
• 強力な支持塔は必要ありません
• ある場所から別の場所への移動が簡単
• 維持費が安い。
• 都市部に設置可能

短所

これらのタイプの風力タービンには優れた利点がありますが、それでもいくつかの制限があります。以下は、風力タービンの欠点です。

HAWT の場合:

• 大規模なタワー建設が必要です。
• ギアボックス、ローター シャフト、ブレーキ アセンブリなどのコンポーネントを所定の位置に持ち上げています。
• ダウンウインドのバリアントは、疲労と構造的な破損に悩まされています。

VAWT の場合:

• HAWT に比べて効率が非常に低い。
• 高い振動を経験しています。
• 騒音公害が発生します。
• 振動によりベアリングの摩耗が増加し、メンテナンス コストが高くなります。
• 開始するには最初のプッシュが必要です。

結論

風力タービンは、風の運動エネルギーをクリーンな電気に変換する機械です。略してHAWTとVAWTの2種類があります。全体が異なる働きをし、異なる利点を提供します。風力タービンの定義、アプリケーション、機能、コンポーネント、図、タイプ、および動作について説明したこの記事は以上です。また、これらの風力タービンの長所と短所も示します。

この投稿から多くのことを学んでいただければ幸いです。もしそうなら、親切に他の学生と共有してください。読んでくれてありがとう。それではまた！