Как ветряная турбина вырабатывает электроэнергию?

Каждый раз, проезжая мимо ветряной электростанции в пригороде, я вижу ряды медленно вращающихся «больших ветряных мельниц». Хотя они могут показаться не слишком медленными и медленными, они могут обеспечивать электроэнергией тысячи домов. Многих друзей интересует: как эти лопасти, вращающиеся вместе с ветром, превращают невидимый ветер в электричество, которое мы можем использовать? Сегодня мы, простым языком, расскажем вам о «технологии преобразования энергии» ветровой энергетики.

По сути, основная логика ветроэнергетики подобна «энергетической эстафете»: сначала уловить «кинетическую энергию» ветра, затем превратить её в механическую «силу вращения» и, наконец, преобразовать в «электрическую энергию», способную зажечь лампочку. Весь процесс разделён на три этапа, на каждом из которых свои «участники».

Первый шаг — использовать лопасти для «поимки ветра»: превращения энергии ветра во вращательную силу. Сам ветер представляет собой поток воздуха с невидимой «кинетической энергией» — подобно тому, как сильный ветер может сдувать опавшие листья и приводить в движение парусники, эта сила может также приводить в движение лопасти ветряной турбины. Однако лопасть спроектирована не просто так. Её форма очень похожа на крыло самолёта: одна сторона выпуклая, другая плоская: когда дует ветер, скорость потока воздуха на выпуклой поверхности высокая, а давление низкое, в то время как скорость потока воздуха на вогнутой поверхности низкая, а давление высокое. Эта разница давлений создаёт «подъёмную силу», словно невидимая рука, толкающая лопасть во вращение вокруг центральной оси. В этот момент кинетическая энергия ветра становится механической энергией вращения лопастей, и первый этап «энергетической эстафеты» был пройден.

Второй шаг — использование ускорителя для «ускорения»: создания «мощной» вращательной силы. Возможно, вы не заметили, но лопасти вращаются довольно медленно — обычно всего 10–20 оборотов в минуту, и такая низкая скорость не может обеспечить работу генератора. В этом случае для спасения поля необходим «ускоритель» (также известный как редуктор): он подобен набору прецизионных «усилителей мощности», которые используют шестерни разного размера, чтобы «поднять» низкоскоростное вращение, передаваемое лопастями, примерно до 1500 оборотов в минуту. Подобно переключению передач на велосипеде, лёгкое нажатие на педаль также может ускорить вращение колёс. Ускоритель переключает ветроэнергетическую систему на «высокую передачу», чтобы накопить достаточно энергии для следующего этапа — выработки электроэнергии.

Третий шаг — использование генератора для «преобразования» вращательной силы в электрическую энергию. Этот шаг требует использования принципа «электромагнитной индукции», который мы изучали в средней школе. Проще говоря, «динамический магнетизм генерирует электричество». Редуктор скорости заставляет «ротор» (оснащённый магнитами) генератора вращаться с высокой скоростью, в то время как «статор», обмотанный медной проволокой, также закреплён внутри генератора. Когда магнит ротора вращается вокруг статора, он разъединяет магнитное поле в катушке статора, что эквивалентно «строительству взлётно-посадочной полосы» для электронов, позволяя им направленно течь по медной проволоке — таким образом, генерируется ток!

Однако генерируемый ток нельзя использовать напрямую. Он должен пройти ряд процессов, таких как «выпрямление» и «стабилизация напряжения», чтобы преобразовать его в переменный ток, соответствующий стандартам электросети. Затем он передаётся по линиям электропередачи на подстанции, прежде чем попасть в наши дома и офисы, зажигая освещение и приводя в действие электроприборы.

Видите ли, весь процесс, от ветра, касающегося лопастей, до электрического тока, зажигающего лампочку, подобен взаимосвязанному «энергетическому волшебству»: нет чёрного дыма от сжигания угля, нет потребления невозобновляемых ресурсов, и только природный ветер может заставить «большую ветряную мельницу» генерировать бесконечное количество чистой электроэнергии. В следующий раз, когда вы увидите вращающиеся лопасти ветряной электростанции, вы, возможно, вспомните, что каждый оборот — это чудесное преобразование энергии ветра в электрическую.