Ветряные турбины НАСА
Начиная с 1975 года НАСА руководило программой Министерства энергетики США и Министерства внутренних дел США общего назначения по разработке ветряных турбин для выработки электроэнергии в ответ на рост цен на нефть. [1] В рамках этой новаторской программы был разработан и испытан ряд крупнейших в мире ветряных турбин. Программа была попыткой выйти далеко за рамки нынешнего состояния ветряных генераторов и разработать ряд технологий, которые позже были приняты на вооружение промышленностью ветряных турбин. Однако развитие коммерческой отрасли было задержано значительным снижением конкурирующих цен на энергоносители в 1980-х годах.
Происхождение программы
[ редактировать ]В 1974 году, частично в ответ на рост цен на нефть после нефтяного кризиса 1973 года , Управление энергетических исследований и разработок (ERDA), позднее входившее в состав Министерства энергетики США , учредило отдел под руководством Луи Дивона для финансирования исследований в области энергетики. Ветряные турбины коммунального назначения. НАСА через свой Исследовательский центр Льюиса в Сандаски, штат Огайо (ныне Исследовательский центр Гленна ) получило задание координировать разработки таких крупных подрядчиков, как General Electric, Westinghouse, United Technologies и Boeing.
В 1975 году НАСА спроектировало и построило свой первый прототип ветряной турбины Mod-0 мощностью 100 кВт в Сандаски, штат Огайо, при финансовой поддержке Национального научного фонда и ERDA. Mod-0 был создан по образцу легкой двухлопастной исследовательской турбины австрийца Ульриха Хюттера . [2] Двухлопастная ветряная турбина с гибкими или балансирующими ступицами ротора характеризовала программу под руководством НАСА. НАСА и его подрядчики обнаружили, что две лопасти могут производить по существу ту же энергию, что и три лопасти, но с экономией стоимости и веса лопасти. Двухлопастные роторы вращаются быстрее, чем эквивалентные трехлопастные роторы, что снижает передаточное число в коробке передач. Гибкость ротора сводит к минимуму передачу изгибающих нагрузок на трансмиссию; Ни одна из ветряных турбин НАСА не имела поломок редуктора, которые часто являются проблемой для систем с жестким ротором, используемых сегодня.
В рамках программы НАСА проводились технические конференции с приглашением международных партнеров. НАСА даже помогло отремонтировать и эксплуатировать датскую трехлопастную ветряную турбину Gedser в период с 1977 по 1979 год, чтобы ее работу и характеристики можно было изучить в качестве модели для более крупных установок. Эта установка 1957 года, спроектированная Йоханнесом Юулом , вырабатывала мощность 200 кВт в течение 11 лет и использовала трехлопастной ротор, направленный против ветра, с решетчатой башней и лопастями, частично поддерживаемыми внутренними растяжками. В ходе этих усилий были получены исследовательские данные о его аэродинамических, электрических и механических характеристиках. Важным результатом этих усилий стала разработка модели инженерного проектирования, используемой в промышленности для пассивного управления мощностью. [3]
Более крупные ветряные турбины достигают эффекта масштаба . Исследования и прототипы НАСА продемонстрировали, что существуют серьезные проблемы с масштабированием в отношении прочности конструкции, усталости, контроля скорости и аэродинамики. В 1980-х годах большинство ветряных турбин были небольшими агрегатами мощностью до 25 кВт. Исследования, проведенные подрядчиками НАСА, показали, что для экономичного производства электроэнергии коммунальными предприятиями потребуются гораздо более крупные установки, порядка 1 МВт и более. [4] Хотя в то время использовались комплекты лопастей самого большого диаметра, предназначенные для вертолетов, длина которых составляла всего 46 футов, предполагалось, что большие комплекты лопастей, охватывающие диаметр от 200 до 300 футов, можно будет изготовить и обеспечить наименьшую стоимость производства. энергия. [4] [5]
Модель | Номинал кВт | Диаметр стреловидности, м | Описание | Генеральный подрядчик | Лет на службе | Примечания |
---|---|---|---|---|---|---|
ПРОТИВ 0 | 100 | 38 | Две лопасти, с подветренной и с подветренной стороны. | Дизайн НАСА с лопастями Lockheed | 1975–1982 | Прототип только в Сандаски |
ПРОТИВ 0А | 200 | 38 | Две лопасти, по ветру | Вестингауз | 1977–1984 | Четыре агрегата установлены для полевых испытаний |
ПРОТИВ 1 | 2000 | 61 | Две лопасти, по ветру | Дженерал Электрик | 1979–1981 | Один установлен в Howard's Knob . Первая в мире турбина мощностью 2 МВт. |
ПРОТИВ 2 | 2500 | 91 | Две лопасти, с наветренной стороны | Боинг | 1982–1988 | Три из них установлены недалеко от Гудно-Хиллз в качестве ветряной электростанции . Четвертый и пятый блоки проданы коммунальным предприятиям, Pacific Gas and Electric снесены в 1988 году. |
ВТС 4 | 4000 | 79.2 | Две лопасти, по ветру | Объединенные Технологии | 1982–1994 | Одна турбина установлена в Медисин-Боу, штат Вайоминг, и еще одна меньшая версия WTS 3 мощностью 3 МВт в Швеции. |
МОД 5А | 7300 | 121.5 | Две лопасти, с наветренной стороны | Дженерал Электрик | Никогда не строился | |
МОД 5Б | 3200 | 97.5 | Две лопасти, с наветренной стороны | Боинг | 1987–1996 | Один установлен на острове Оаху, Гавайи. |
МОД-0 и МОД-0А
[ редактировать ]Первой конструкцией был MOD-0, построенный недалеко от Исследовательского центра Льюиса в Сандаски, штат Огайо, и введенный в эксплуатацию в сентябре 1975 года. Он служил испытательным стендом для разработки многих концепций для использования в более крупных установках. Эта конструкция имела двухлопастной ротор диаметром 38 метров с подветренной стороны, соединенный с синхронным генератором, номинальной мощностью 100 кВт при скорости ветра 8 м/с. Увеличитель скорости увеличил скорость турбины до 40 об/мин, чтобы привести в действие генератор со скоростью 1800 об/мин. Мощность машины регулировалась наклоном лопастей несущего винта.
Первые лопасти MOD-0 были изготовлены компанией Lockheed из алюминия. Конструктивные проблемы возникли почти сразу же на корневом конце лопастей. Для решения этой проблемы было предпринято несколько существенных изменений и усилий. Расследование показало, что неожиданно высокие циклические нагрузки стали результатом значительной блокировки ветра сложной ферменной конструкцией башни. Это привело к быстрому изменению аэродинамических нагрузок на подветренный винт. Чтобы исправить это засорение, лестницу доступа из центра башни убрали. [6] Была начата крупная программа по выбору материалов для лезвий, в ходе которой оценивались композиты из стекловолокна, стали, дерева и даже бетона. НАСА обратилось к компании Gougeon Brothers, Inc. из Мичигана с просьбой применить их технологию изготовления материалов для лодок для ветряных турбин. Полученные в результате деревянные и композитные лезвия заменили алюминиевые лезвия на Mod-0 (а позже и на Mod-0A), устранив структурные проблемы основания лопасти. Компания Gougeon Brothers успешно внедрила свою продукцию в индустрию ветряных турбин, продавая ее по всему миру.
С MOD-0 было проведено множество экспериментов, включая краткую работу с лопастями ротора с наветренной стороны от башни и испытание одной лопасти для ротора турбины. Он также протестировал первые генераторы с регулируемой скоростью перед их использованием в Mod-5B мощностью 3,2 МВт, а затем и во всей отрасли. Mod-0 также использовался для испытаний первых башен со стальным корпусом, которые сейчас являются доминирующей конструкцией башен. Задача проектирования заключалась в том, чтобы снизить вес и стоимость башни, одновременно безопасно преодолевая резонанс мягкой конструкции во время запуска.
Опыт эксплуатации прототипа МОД-0 послужил основой для создания нескольких демонстрационных единиц, получивших обозначение МОД-0А. Они были похожи на прототип с тем же размером ротора, но имели мощность 200 кВт при несколько более высокой скорости ветра. Westinghouse была назначена генеральным подрядчиком, ответственным за все строительство. Устройства были установлены в Клейтоне, штат Нью-Мексико, в 1977 году, в Кулебре, Пуэрто-Рико, в 1978 году, в Блок-Айленде, Род-Айленд, в 1979 году и четвертое в Кахаку-Пойнт, Гавайи, в 1980 году.
МОД-1
[ редактировать ]В 1978 году НАСА заключило контракт с General Electric на увеличение мощности MOD-0A с 10-кратным увеличением мощности. Mod-1 была первой ветряной турбиной в мире мощностью 2 мегаватта, а также первой ветряной турбиной General Electric. Датский da:Vindkraftværket Tvindkraft с высотой ступицы 46 метров над землей, более крупным ротором и способностью работать при более высокой скорости ветра имел мощность 2000 кВт, но так и не достиг выходной мощности Mod-1 в 2 МВт. Конструктивный вес Mod-1 не позволил ему стать конкурентоспособным коммерческим продуктом, но прототип был установлен и запущен в Ховардс-Ноб недалеко от Буна, Северная Каролина. Быстрый цикл проектирования до мощности в несколько мегаватт на основе Mod-0 первого поколения вызвал технические и эксплуатационные проблемы. Низкочастотный шум от тяжелой ферменной башни, блокирующей ветер до подветренного ротора, вызвал проблемы в жилых домах, расположенных поблизости. Из-за дополнительного давления в виде сокращения финансирования федеральной программы турбина была демонтирована в 1983 году.
МОД-2
[ редактировать ]В 1977 году компания Boeing выиграла контракт НАСА и Министерства энергетики США на проектирование, изготовление, строительство, установку и испытания нескольких моделей ветряных турбин мощностью 2,5 мегаватта в Соединенных Штатах. Первые четыре модели МОД-2 поступили в эксплуатацию в начале 1980-х годов. Закладка . первых трех турбин состоялась 11 апреля 1980 года в Гудно-Хиллз, штат Вашингтон, в ознаменование начала строительства [7] Первая турбина должна была быть введена в эксплуатацию в декабре. [8] 2 сентября 1982 года четвертый начал работу в Медисин-Боу, штат Вайоминг. Управление энергетики Бонневилля купило электроэнергию, вырабатываемую турбинами Гудно-Хиллз, и интегрировала ее в региональную энергосистему. В мае 1981 года три турбины на площадке Гудно-Хиллз сформировали первую ветряную электростанцию в мире. Объект в Гудноу-Хиллз был в первую очередь исследовательским проектом для Boeing, Управления энергетики Бонневилля, НАСА и Мемориального института Баттел. Научно-исследовательский институт солнечной энергетики также оценил пригодность ветряных турбин мегаваттного класса в качестве источника электроэнергии. В 1986 году ветряные турбины MOD-2 в Гудноу-Хиллз были демонтированы. В 1985 году, последнем полном году работы, совокупная электрическая мощность трех турбин составила 8 251 мегаватт-час. Ветряная турбина Medicine Bow MOD-2 была продана на металлолом в 1987 году. В 2008 году ветряная электростанция Goodnoe Hills на том же месте открылась REpower мощностью 2,0 МВт с 47 ветряными турбинами с общей паспортной мощностью 94 МВт. EnXco/Power Holdings владеет ветряной электростанцией, а PacifiCorp является покупателем электроэнергии. [9]
ВТС-4
[ редактировать ]Ветряная турбина WTS-4 (4 мегаватт) в Вайоминге была спроектирована компанией United Technologies ( Hamilton Standard Division) под техническим руководством НАСА и при финансовой поддержке Министерства внутренних дел США . WTS-4 был введен в эксплуатацию в Медисин-Боу, штат Вайоминг, в 1982 году. Он имел «мягкую» стальную трубчатую башню, лопасти из стекловолокна, торсионные пружины и приборные панели в трансмиссии, а также гибкую качающуюся ступицу. По сей день WTS-4 является самой мощной ветряной турбиной, когда-либо работавшей в США, и более 20 лет удерживала мировой рекорд по выходной мощности. Второй коммерческий прототип с генератором меньшего размера (3 мегаватта), получившим обозначение WTS-3, был построен и эксплуатировался в Швеции. Глидден Доман был менеджером по проектированию систем компании Hamilton Standard для проекта WTS-4 и был нанят шведским правительством для инициирования проекта WTS-3. [10] В 2014 году Глидден Доман вместе с Мартином Якубовски и Сильвестро Карузо стал соучредителем Seawind Ocean Technology BV для внедрения нового поколения плавучих ветровых технологий, основанных на модификациях конструкции ветряной турбины WTS-4 и последующей ветряной турбины Gamma 60 мощностью 1,5 МВт в 1991 году. . [10] [11]
МОД-5Б
[ редактировать ]Ветряная турбина МОД-5Б, построенная в 1987 году, была крупнейшей действующей ветряной турбиной в мире в 1990-е годы. Контракт на постройку Mod-5B был заключен с компанией Boeing в 1980 году, а в 1987 году он был установлен на острове Оаху . [12] При номинальной мощности 3,2 мегаватт он весил 426 000 кг (939 000 фунтов) и имел двухлопастной ротор диаметром 97,53 м (320,0 футов) на стальной башне длиной 60 м (200 футов). [13] Ранняя эксплуатация Mod-5B продемонстрировала хорошую готовность новой ветровой турбины первого агрегата на уровне 95 процентов. В начале 1988 года эксплуатация турбины была передана компании Hawaiian Electric Industries , затем Makani Uwila Power Corporations (MUPC) и эксплуатировалась с перерывами до конца 1996 года. Из-за финансовых трудностей ветряная турбина была остановлена вместе с остальная часть MUPC перешла к владельцу недвижимости Campbell Estates. [13] Компания Campbell Estates решила разобрать агрегат и продать его на металлолом. [14] В июле 1998 года Министерство энергетики восстановило коробку передач и генератор трансмиссии. [13]
Наследие программы
[ редактировать ]Ни один из прототипов НАСА не стал широко производиться в качестве коммерческих генераторов, поскольку целью программы было развитие технологии и поддержка развивающейся отрасли. Многие технологии, такие как генераторы с регулируемой скоростью двойного питания, легкие трубчатые башни и инструменты инженерного проектирования, используемые сегодня в ветроэнергетике, были разработаны и впервые применены в рамках программы НАСА. [15] Общая стоимость программы с 1974 по 1992 год составила 330 миллионов долларов. Для справки: к 2008 году мировой рынок ветроэнергетики достиг 47 миллиардов долларов в год. [16] Коммерческими партнерами программы были General Electric, Boeing Engineering and Construction, Westinghouse и United Technologies, некоторые из которых сегодня работают в ветроэнергетике. Хотя широко распространено мнение, что никаких коммерческих образцов не было создано, [4] Промышленные партнеры НАСА действительно производили коммерческие турбины в ходе этой программы, такие как турбины Boeing Mod-2 (описанные ранее) и Westinghouse мощностью 600 кВт на ветряной электростанции Кахуку на Гавайях. [17] Когда цены на нефть упали в три раза с 1980 по начало 1990-х годов во время так называемого « нефтяного перенасыщения 1980-х годов », многие производители турбин, как крупные, так и мелкие, ушли из бизнеса. Коммерческие продажи NASA/Boeing Mod-5B, например, прекратились в 1987 году, когда компания Boeing Engineering and Construction объявила, что «планирует уйти с рынка, поскольку низкие цены на нефть делают ветряные мельницы для производства электроэнергии неэкономичными». [18] Краткое изложение программы создания больших ветряных турбин Министерства энергетики и НАСА было опубликовано в 1984 году. [19]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- Примечания
- ^ Асмус 2001 , стр. 54–56.
- ^ Кливленд, Катлер Дж. (24 августа 2008 г.). «Ульрих Хюттер» . В Лоуренсе, Том (ред.). Энциклопедия Земли . Национальный совет по науке и окружающей среде . Архивировано из оригинала 13 октября 2012 г. Проверено 25 августа 2016 г.
- ^ Витерна и Янецке 1982
- ^ Перейти обратно: а б с Гипе 1995 , стр. 103–106.
- ^ «Ветры перемен: американские федеральные проекты 1975–1985» . Ветры перемен (Датский сайт истории ветроэнергетики) . Проверено 25 августа 2016 г.
- ^ Джонсон 2006 , стр. 1–8.
- ^ "Идея ветряной мельницы изменена" , Обзор пресс-секретаря Спокана (Вашингтон) , 23 апреля 1980 г., стр. 6
- ^ «Ветрогенераторы в помощь — церемонии знаменуют начало», The World (Кус-Бей, Орегон), 19 апреля 1980 г., стр. 14.
- ^ «Проекты ветроэнергетики США – Вашингтон» . Американская ассоциация ветроэнергетики . 31 декабря 2009 г. Архивировано из оригинала 31 декабря 2008 года . Проверено 14 марта 2010 г.
{{cite web}}
: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка ) - ^ Перейти обратно: а б Якубовский, Мартин. «История развития технологии морского ветра» . Технология морского ветра . Проверено 7 января 2017 г.
- ^ де Врис, Эйз (1 апреля 2020 г.). «Сивинд» активизирует разработку радикальной двухлопастной морской турбины . Виндтек Интернэшнл . Виндтех Оффшор. Архивировано из оригинала 21 июня 2020 года . Проверено 24 июля 2020 г.
- ^ Боварник, МЛ; Энгл, WW (1985). «Эволюция ветроэнергетических систем Mod-2 и Mod-5B». 20-я Межобщественная конференция по вопросам преобразования энергии . 3 . Межобщественная конференция по вопросам преобразования энергии. Бибкод : 1985iece....3S...3B .
Mod-5B, переданный компании Boeing в 1983 году, должен быть установлен на острове Оаху в 1986 году. В конструкции Mod-5B мощностью 3,2 МВт использован опыт эксплуатации и испытаний Mod-2. Кроме того, в конструкцию были включены значительные улучшения производительности. Mod-5B спроектирован так, чтобы производить на 43 процента больше энергии, чем Mod-2 в первоначальном виде.
- ^ Перейти обратно: а б с «Ветроустановки МОД-2/МОД-5Б» . Боинг . Проверено 24 августа 2016 г.
- ^ Истербрук, Грегг (28 июня 2009 г.). «Грязная война против чистого угля» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 30 июня 2009 г.
Министерство энергетики также финансировало такие завышенные и нереальные проекты, как MOD-5B, ветряная турбина весом 470 тонн и высотой 20 этажей: она выглядела как гигантский пропеллер, предназначенный для того, чтобы подтолкнуть Землю к новой звездной системе. В итоге его продали на металлолом.
- ^ Спера 2009
- ^ «Ветроэнергетика набирает обороты, крупнейший рынок США: обзор» . АФП. 2 февраля 2009 г. Архивировано из оригинала 31 января 2014 г. Проверено 25 августа 2016 г.
{{cite news}}
: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка ) - ^ «История ветроэнергетических проектов на Гавайях» . Департамент бизнеса, экономического развития и туризма штата Гавайи. 15 апреля 2002 г. Архивировано из оригинала 24 июля 2008 г. Проверено 25 августа 2016 г.
{{cite web}}
: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка ) - ^ Гапай, Лес (27 августа 1987 г.). «Гавайцы получат последнюю ветровую машину Boeing: Макани Хо'Олапа обеспечит электроэнергией 1140 жилых домов» . Сиэтлский пост-разведчик . п. Б7 . Проверено 28 марта 2011 г. [ мертвая ссылка ]
- ^ Линскотт, Перкинс и Деннетт, 1984 г.
- Источники
- Асмус, Питер (2001). Пожинаем ветер: как механические волшебники, провидцы и спекулянты помогли сформировать наше энергетическое будущее . Айленд Пресс . ISBN 1-55963-707-2 .
- Гайп, Пол (1995). Энергия ветра достигает зрелости . Джон Уайли и сыновья . ISBN 0-471-10924-Х .
- Джонсон, Гэри Л. (2006). Ветроэнергетические системы (PDF) (электронное изд.).
- Линскотт, Брэдфорд С.; Перкинс, Портер; Деннетт, Джоанн (1 марта 1984 г.). Большие ветряные турбины с горизонтальной осью (PDF) . МЭ/НАСА/20320-58.
- Спера, Дэвид, изд. (2009). Технология ветряных турбин . АСМЭ Пресс. ISBN 978-0-7918-0260-1 .
- Витерна, Ларри А.; Джанецке, Дэвид К. (1 сентября 1982 г.). Теоретическая и экспериментальная мощность больших ветряных турбин с горизонтальной осью (PDF) . НАСА ТМ-82944.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Даутвейт, МБ (2002). Обеспечение инноваций: практическое руководство по пониманию и стимулированию технологических изменений . Книги Зеда . стр. 96–101.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- «Ветровые турбины: «Эти великолепные ветряные машины» (документальный фильм НАСА, 1980)» . Джефф Куитни (YouTube). 12 сентября 2015 г.
- «Ветровые турбины: «Ветер: энергетическая альтернатива» (документальный фильм Министерства энергетики, 1980)» . Джефф Куитни (YouTube). 26 августа 2016 г.