Как работает ветряная турбина

Модель загружается

На этом устройстве не получается показать 3D-модель. Шаги экскурсии ниже можно прочитать текстом.

1 / 8 Турбина 5 MW в полеЭто эталонная турбина NREL 5 MW, открытый проект для исследований. Диаметр ротора 126 m, ступица на высоте 90 m над землёй. При ветре 8 m/s она вращается с частотой 9,2 rpm и даёт 1,78 MW. Вторая турбина стоит в 630 m по ветру, в пяти диаметрах ротора.

Тяните для поворота. Колесо или щипок меняют масштаб.

01
Турбина 5 MW в поле
Это эталонная турбина NREL 5 MW, открытый проект для исследований. Диаметр ротора 126 m, ступица на высоте 90 m над землёй. При ветре 8 m/s она вращается с частотой 9,2 rpm и даёт 1,78 MW. Вторая турбина стоит в 630 m по ветру, в пяти диаметрах ротора.
02
Форма и крутка лопасти
При ветре слабее 3 m/s турбина ждёт: лопасти повёрнуты ребром к ветру, ротор стоит. Оранжевые сечения показывают, как меняется лопасть. У ступицы это круглая труба; дальше она становится толстым, а затем тонким профилем, и хорда поворачивается на 13,3° от комля до конца.
03
Почему конец лопасти так быстр
При 8 m/s ротор делает 9,2 оборота в минуту, а концы лопастей движутся со скоростью 60 m/s. Скорость конца, делённая на скорость ветра, называется быстроходностью, здесь она равна 7,55. При этом значении ротор забирает у ветра наибольшую долю, 48,2 %.
04
Внутри гондолы
Главный вал вращается так же медленно, как ротор. Трёхступенчатый мультипликатор повышает скорость в 97 раз, так что 9,2 rpm на генераторе превращаются примерно в 890 rpm. Оранжевая метка на тормозном диске показывает быстрый вал; на экране он замедлен, чтобы за ним можно было следить.
05
Мощность ветра
Мощность ветра растёт как куб скорости: P = ½ ρ A v³. При 11,4 m/s через диск ротора проходит около 11,3 MW. Ротор забирает 46,8 % из них, генератор выдаёт 5 MW. Ни один ротор не может взять больше 16/27, то есть 59,3 %: это предел Бетца, он показан на графике синим.
06
Угол лопастей держит 5 MW
При 18 m/s ветер несёт через ротор 44,5 MW. Система управления поворачивает все три лопасти на 14,9° к ветру, они встречают его под меньшим углом и берут меньше. Мощность остаётся 5 MW. Отключите автоматический угол и оставьте 0°: ротор попытается выдать 9,8 MW и перегрузит генератор. При ветре сильнее 25 m/s лопасти поворачиваются на 90°, и ротор останавливается.
07
Гондола разворачивается к ветру
Ветер повернул на 30°. Флюгер на крыше разворачивается сразу, но приводы ориентации поворачивают гондолу массой 240 тонн всего на 0,3° в секунду, поэтому настоящий разворот длится 100 s. На экране он в 20 раз быстрее. При ошибке 30° и ветре 8 m/s ротор даёт 65 % своей мощности.
08
Медленный воздух позади
Каждый ватт, который забирает ротор, берётся из воздуха, поэтому позади него ветер медленнее. В 630 m он всё ещё дует со скоростью 7,3 m/s вместо 8, и вторая турбина даёт 1,34 MW, 76 % от первой. Поверните ветер на 20°, и след пройдёт мимо неё.

1 из 8