wiatrak jest konstrukcją wykorzystywaną do wykorzystania mocy wiatru do celów takich jak mielenie ziarna, pompowanie wody i wytwarzanie energii elektrycznej.
siłę wiatru po raz pierwszy wykorzystali żeglarze, którzy byli w stanie zrozumieć podnoszenie i okiełznać siłę wiatru za pomocą żagli. Wiedza ta doprowadziła do opracowania pierwszego wiatraka typu żaglowego o osi pionowej, używanego przez starożytnych Persów i Chińczyków do mielenia ziarna i pompowania wody.,
składały się one z łopatek zwanych żaglami lub łopatkami, które po obróceniu przez wiatr zamieniały energię wiatru w energię obrotową, którą można było wykorzystać.
wczesne europejskie wiatraki z systemami osi poziomych były podstawą obecnej technologii turbin wiatrowych wykorzystywanych do produkcji energii.
w tym artykule omówimy historię wiatraków i sposób ich rozwoju do nowoczesnych konstrukcji, a także sposób ich działania.,
Wczesna historia wiatraków
nie ma konkretnych dowodów na to, kto dokładnie był pierwszym, który wynalazł wiatrak, czy to Chińczycy, czy Persowie jest przedmiotem debaty. Niezależnie od tego, obie kultury zaczęły używać tej technologii w tym samym czasie do tych samych celów.
niektórzy uważają, że technologia wiatraków została sprowadzona do Europy Północnej w wyniku wypraw krzyżowych, jednak ich konstrukcja osi poziomej, a nie systemu osi pionowej, sprawia, że jest tak samo prawdopodobne, że Europejczycy odkryli swój wiatrak niezależnie. Pierwsze istniejące ilustracje z 1270 r. n. e., Pokaż niebieskie wydruki wiatraka typu post mill.
młyn pocztowy składał się z czterech młynów łopatkowych zamontowanych na centralnym słupie, który wykorzystywał drewniane koła zębate i pierścienie, aby ukryć ruch poziomego wału na ruch pionowy, który obracał kamień szlifierski. Zgodnie z ilustrowaną historią rozwoju wiatru, drewniane koło zębate i pierścień został użyty przez Witruwiusza, inżyniera epoki Augustiańskiej, do opracowania pierwszego poziomego koła wodnego osi.,
projekt młyna wieżowego powstał około końca XIII wieku, a najwcześniejszą znaną ilustracją jest Młyn Normandzki z lat 1430-1440. Młyn wieżowy składał się z pochyłych ścian, nakrętki, którą można było obracać, poziomego wału wiatrowego i pionowych żagli.
młyn smock, opracowany przez Holendrów w 1526 roku na podstawie młyna wieżowego, jest pionową stożkową wieżą z czterema do sześciu stron zwieńczoną czapką, która obraca się, aby podnieść żagle na wiatr. Nazwa młyna pochodzi od jego podobieństwa do smoczków noszonych przez rolników w tym czasie.,
w ciągu następnych 500 lat wiatraki zyskały wiele różnorodnych zastosowań poza pompowaniem i mieleniem ziarna wodą, w tym nawadnianie, pompowanie drenażu, mielenie drewna piłą oraz przetwarzanie tytoniu, przypraw, kakao, farb i barwników.
nowoczesne postępy
mechaniczne młyny do pompowania wody zostały po raz pierwszy opracowane w Stanach Zjednoczonych w 1854 roku. Młyny te pierwotnie składały się z czterech drewnianych ostrzy, z których stalowe ostrza powstały w 1870 roku.
w latach 1850-1970 w Stanach Zjednoczonych zainstalowano ponad sześć milionów mechanicznych młynów wiatrowych., Ich główne zastosowania to podlewanie zapasów i Woda dla domów gospodarczych. Bardzo duże wiatraki były używane do pompowania wody dla pociągów parowych.
pierwszy wiatrak wytwarzający energię elektryczną został wynaleziony w 1888 roku przez inżyniera z Ohio Charlesa Brusha. Wiatrak mógł wytwarzać do 12 kilowatów energii elektrycznej i był 60-metrowym młynem pocztowym z 56-metrowym wirnikiem.
w dzisiejszym społeczeństwie wiatraki wykorzystywane do wytwarzania energii elektrycznej nazywane są turbinami wiatrowymi.,w latach 1973-1986 rynek turbin wiatrowych ewoluował z zakresu od 1 do 25 kilowatów dla zastosowań domowych i rolniczych do maszyn o średniej skali od 50 do 600 kilowatów dla wzajemnie połączonych farm wiatrowych.
w tym okresie ponad 20 różnych projektów zostało zaprojektowanych i przetestowanych, większość okazała się niewykonalna i nieefektywna.
turbiny wiatrowe ewoluowały z czterech systemów łopatkowych stworzonych najpierw w Stanach Zjednoczonych, do dwóch systemów łopatkowych, a wreszcie do trzech systemów łopatkowych powszechnie spotykanych obecnie w farmach wiatrowych.,
Jak działają Wiatraki
najwcześniej udokumentowane wiatraki były pionowymi systemami osi, z pionowymi żaglami wykonanymi z trzciny lub drewna, które przymocowano poziomymi rozpórkami do pionowego wału z kamieniem do celów szlifowania. Pierwszym wiatrakiem, który pojawił się w Europie, był młyn słupowy o układzie osi poziomej, z czterołopatowym młynem przymocowanym do centralnego słupka.
Mostert ' s Mill opisuje młyn pocztowy jako budynek wyważony i obrócony na pionowym centralnym słupie utrzymywanym pionowo przez krzyże i kątowe ćwierćwałki, których końce nosiły cztery pionowe kamienne lub ceglane filary.,
młyn składał się z walcowni, dużego koła hamulcowego umieszczonego na tym samym wale co żagle, które przenosiło moc na mniejszy bieg. Walcownik dzielił pionowy wał z wielkim kołem ostrogowym, z którego Kamienna nakrętka napędzała kamień szlifierski.
młyn wieżowy był rozwinięciem młyna pocztowego posiadającego wiele pięter do przechowywania ziarna, usuwania plew, mielenia ziarna i pomieszczeń mieszkalnych dla kowala i jego rodziny.
najważniejszą cechą młyna wieżowego była Czapka (dach), która mogła się obracać w odpowiedzi na zmieniające się wzory wiatrów., W przeciwieństwie do młyna Pocztowego, gdzie trzeba było przenieść całą konstrukcję, aby zorientować młyn, tylko czapka musiała być przeniesiona w młynie wieżowym.
zarówno Wieża, jak i młyny pocztowe były pierwotnie zaprojektowane tak, aby były ręcznie zorientowane na wiatr poprzez naciśnięcie dźwigni znajdującej się z tyłu młyna. W 1745 roku Edmund Lee wynalazł wiatrak fan tail, który był montowany z tyłu młyna pod kątem prostym do żagli automatycznie obracających się w celu doprowadzenia żagli do wiatru.,
młyny Smock są podobne do młynów wieżowych różniących się głównie wyglądem, w których młyny smock były ośmiokątne lub sześciokątne z ich sześcioma do ośmiu boków, a nie okrągłe. Młyny Smock mają taką samą konstrukcję obrotowej czapki, jak młyny wieżowe, ale zazwyczaj były znacznie większe.
pierwsze młyny mechaniczne, które pojawiły się w Stanach Zjednoczonych, miały cztery drewniane ostrza, które przypominały łopatki, a większość była wyposażona w „ogony”, które skierowały je na wiatr. Jednak niektóre z tych młynów mechanicznych zostały zaprojektowane do pracy z wiatrem, zwane weather-vaning mills.,
niektóre młyny mechaniczne posiadały regulację prędkości zapewnianą przez zawiasowe łopaty, które składały się z powrotem przy silnym wietrze, zmniejszając siłę ciągu, zmniejszając obszar wychwytywania wirnika. Gdy stalowe łopaty zostały wprowadzone, wymagały przekładni redukcyjnej, aby zrekompensować ich wysoką prędkość, tak aby standardowe pompy wzajemne były z odpowiednią prędkością, aby młyn działał prawidłowo.
powszechnie spotykane dziś trójłopatowe systemy turbinowe działają w podobny sposób, jak oryginalne młyny pocztowe., Wiatr obraca dwa lub trzy łopaty wokół wirnika, który jest podłączony do głównego wału, który obraca generator do wytwarzania energii elektrycznej.
wirnik, czyli łopaty i piasta połączone, są zamontowane 100 stóp lub więcej nad ziemią, aby wykorzystać szybszy, mniej burzliwy wiatr. Wirnik jest przymocowany do układu skoku, który odwraca łopaty od wiatru, aby kontrolować prędkość wirnika.
gdy wiatry są zbyt wysokie lub zbyt niskie, aby wytwarzać energię elektryczną, układ skoku zapobiega obracaniu się wirnika.,
układ skoku jest podłączony do wału o niskiej prędkości obrotowej, który obraca się z prędkością około 30-60 obrotów na minutę. Wał o niskiej prędkości jest podłączony do skrzyni biegów, która zamienia niskie prędkości obrotowe w wysokie prędkości obrotowe 100-1800 obr. / min wymagane przez generator, który jest przymocowany do skrzyni biegów, do produkcji energii elektrycznej.,
dzisiejsze turbiny składają się również z układu hamulcowego, który może mechanicznie, elektrycznie lub hydraulicznie zatrzymać wirnik w sytuacjach awaryjnych, oraz sterownika, który uruchamia maszynę przy prędkości wiatru, która wynosi od 6 do 16 mph i wyłącza maszynę, gdy prędkość wiatru przekracza 55 mph, aby zapobiec uszkodzeniom. Anemometr mierzy prędkość wiatru i przesyła dane do sterownika.
energia elektryczna jest następnie przenoszona w dół wieży i przekształcana na to samo napięcie, co lokalna sieć energetyczna.,
wnioski
Wiatraki przebyły długą drogę od tamtej pory, a nowoczesne postępy w technologii turbin dowodzą, że energia wiatrowa jest przyjaznym dla środowiska substytutem paliw kopalnych.
w XXI wieku zaczynamy dostrzegać wiele osiągnięć w branży energetyki wiatrowej, w tym technologie bezszwowe i generatory, które nie wymagają skrzyni biegów. Ale nadal są w swoich dzieciach.,
energia wiatrowa jest jednym z najlepszych rozwiązań dla rosnących potrzeb energetycznych na świecie, ponieważ jest czysta i nie wytwarza toksycznych emisji do wytwarzania energii elektrycznej, w przeciwieństwie do paliw kopalnych.
Jeśli masz doświadczenie z wiatrakami i/lub nowoczesnymi turbinami wiatrowymi, podziel się nim w komentarzach.