Větrné turbíny NASA - NASA wind turbines - Wikipedia

Experimentální větrné turbíny NASA nakreslené ve stejném měřítku

Počínaje rokem 1975, NASA spravoval program pro Ministerstvo energetiky Spojených států a Ministerstvo vnitra Spojených států vyvinout užitný rozsah větrné turbíny u elektrické energie v reakci na růst cen ropy.[1]V rámci tohoto průkopnického programu byla vyvinuta a testována řada největších větrných turbín na světě. Tento program byl pokusem poskočit daleko za dosavadní stav techniky generátorů větrných turbín a vyvinul řadu technologií, které později přijal průmysl větrných turbín. Rozvoj komerčního průmyslu však byl zpožděn výrazným poklesem konkurenčních cen energie v 80. letech.

Původ programu

V roce 1974, částečně v reakci na zvýšení ceny ropy po Ropná krize z roku 1973, Správa energetického výzkumu a vývoje (ERDA), pozdější část Ministerstvo energetiky Spojených států, jmenoval oddělení pod vedením Louise Divoneho k financování výzkumu větrných turbín v průmyslovém měřítku. NASA prostřednictvím svého výzkumného střediska Lewis v Sandusky Ohio (nyní Glenn Research Center ) byl pověřen koordinací vývoje velkými dodavateli, jako jsou General Electric, Westinghouse, United Technologies a Boeing.

V roce 1975 NASA navrhla a vyrobila svůj první prototyp větrné turbíny, 100 kW Mod-0 v Sandusky Ohio, s financováním z Národní vědecká nadace a ERDA. Mod-0 byl modelován po lehké dvoulisté výzkumné turbíně Rakušana Ulricha Hüttera.[2] Program vedený NASA charakterizovala dvoulistá větrná turbína s pružnými nebo zkroucenými náboji rotoru. NASA a její dodavatelé zjistili, že dvě čepele mohou produkovat v podstatě ekvivalentní energii jako tři čepele, ale s úsporami nákladů a hmotnosti čepele. Dvoulisté rotory se otáčejí rychleji než ekvivalentní třílisté rotory, čímž se snižuje převodový poměr. Pružnost rotoru minimalizuje přenos ohybového zatížení do hnacího ústrojí; žádná z větrných turbín NASA nezaznamenala poruchy převodovky, které jsou dnes problémem pro systémy tuhých rotorů, které se dnes používají.

Program NASA hostil technické konference a pozýval mezinárodní partnery. NASA dokonce pomohla zrekonstruovat a provozovat dánské třílisté Gedserova větrná turbína v letech 1977 až 1979, aby bylo možné studovat její provoz a vlastnosti jako model pro větší jednotky. Tuto jednotku z roku 1957 navrhl Johannes Juul generoval 200 kW po dobu 11 let a používal třílistý větrný rotor s příhradovou věží a lopatkami nesenými částečně vnitřními kotevními dráty. Toto úsilí přineslo výzkumná data o jeho aerodynamických, elektrických a mechanických vlastnostech. Důležitým výsledkem tohoto úsilí byl vývoj modelu konstrukčního návrhu používaného průmyslem pro pasivní řízení výkonu.[3]

Dosahují větší jednotky větrných turbín úspory z rozsahu. Výzkumy a prototypy NASA ukázaly, že v konstrukční síle, únavě, řízení rychlosti a aerodynamice byly značné problémy se škálováním. V 80. letech byla většina větrných turbín malými jednotkami s výkonem do 25 kW. Studie provedené dodavateli NASA naznačují, že pro ekonomickou výrobu elektřiny energetickými podniky budou zapotřebí mnohem větší jednotky, řádově 1 MW nebo více.[4] Ačkoliv sady vrtulových listů s největším průměrem, které se tehdy používaly, byly pro vrtulníky, které pokrývaly pouze 46 stop, předpokládalo se, že by bylo možné sestavit velké sady lopatek o průměru 200 až 300 stop, které by produkovaly nejnižší náklady energie.[4][5]

Větrné turbíny NASA / DOE / DOI
ModelkaJmenovitý výkon kWPrůměr tahu, mPopisHlavní dodavatelRoky v provozuPoznámky
MOD 010038Dvě lopatky, po větru a po větruDesign NASA s čepelemi Lockheed1975–1982Prototyp pouze na Sandusky
MOD 0A20038Dvě lopatky, po větruWestinghouse1977–1984Čtyři jednotky instalované pro zkoušky v terénu
MOD 1200061Dvě lopatky, po větruGeneral Electric1979–1981Jeden nainstalován v Howardův knoflík. První turbína na světě s výkonem 2 MW.
MOD 2250091Dvě lopatky, proti větruBoeing1982–1988Tři instalované poblíž Goodnoe Hills jako a větrná farma. Čtvrtá a pátá jednotka prodaná energetickým společnostem Pacific Gas and Electric zbořen v roce 1988
WTS 4400079.2Dvě lopatky, po větruUnited Technologies1982–1994Jedna turbína instalovaná v Medicine Bow ve Wyomingu a další menší verze WTS 3 3 MW ve Švédsku
MOD 5A7300121.5Dvě lopatky, proti větruGeneral ElectricNikdy postavený
MOD 5B320097.5Dvě lopatky, proti větruBoeing1987–1996Jeden nainstalován na Oahu na Havaji

MOD-0 a MOD-0A

Výzkumná větrná turbína NASA MOD-0 v Sandusky v Ohiu

První design byl MOD-0, postavený poblíž Lewis Research Center v Sandusky v Ohiu a funkční v září 1975. Sloužil jako testovací základna pro vývoj mnoha konceptů pro použití ve větších celcích. Tato konstrukce měla dvoulistý rotor o průměru 38 metrů po větru spojený se synchronním generátorem s výkonem 100 kW při rychlosti větru 8 m / s. Zvýšení rychlosti zrychlilo 40 ot / min turbíny na pohon generátoru s rychlostí 1800 ot / min. Výkon stroje byl regulován stoupáním listů rotoru.

Počáteční čepele MOD-0 byly vyrobeny společností Lockheed z hliníku. Strukturální problémy se objevily téměř okamžitě na kořenovém konci lopatek. Bylo řešeno několik významných změn a úsilí. Vyšetřování odhalilo, že neočekávaně vysoká cyklická zatížení byla výsledkem významného zablokování větru složitou konstrukcí krovu. To způsobilo, že se aerodynamické zatížení rotoru po větru rychle změnilo. Aby se toto zablokování napravilo, byly ze středu věže odstraněny přístupové schody.[6] Byl zahájen hlavní program materiálu čepele, který hodnotil kompozit ze skleněných vláken, ocel, dřevo a dokonce i beton. NASA se obrátila na společnost Gougeon Brothers, Inc. v Michiganu, aby uplatnila technologii svého lodního materiálu na větrné turbíny. Výsledné dřevěné a kompozitní čepele nahradily hliníkové čepele u modelu Mod-0 (a později Mod-0A), čímž se odstranily strukturální problémy kořene listu. Gougeon Brothers úspěšně prodali své výrobky do průmyslu větrných turbín s prodejem po celém světě.

S MOD-0 bylo provedeno mnoho experimentů, včetně krátkého provozu s lopatkami rotoru proti větru od věže a pokusu s jedinou lopatkou pro rotor turbíny. Testovala také první generátory s proměnnou rychlostí před jejich použitím v modelu 3,2 MW Mod-5B a později v celém odvětví. Mod-0 byl také použit k testování prvních ocelových skořepinových věží, nyní dominantní konstrukce věže. Úkolem návrhu bylo snížit hmotnost a náklady z věže a zároveň bezpečně projít rezonancí měkké struktury během spuštění.

Provozní zkušenosti s prototypem MOD-0 poskytly základ pro konstrukci několika demonstračních jednotek označených jako MOD-0A. Ty byly podobné prototypu se stejnou velikostí rotoru, ale byly dimenzovány na 200 kW při mírně vyšší rychlosti větru. Westinghouse byl jmenován hlavním dodavatelem odpovědným za celkovou stavbu. Jednotky byly instalovány v Clayton New Mexico v roce 1977, Culebra, Portoriko v roce 1978, Block Island, Rhode Island v roce 1979 a čtvrté v Kahaku Point Hawaii v roce 1980.

MOD-1

Větrná turbína NASA / GE MOD-1 v Boone v Severní Karolíně byla první turbínou na světě, která produkovala 2 MW

NASA uzavřela smlouvu s General Electric v roce 1978 na navýšení z MOD-0A s 10násobným zvýšením výkonu. Mod-1 byla první větrná turbína na světě, která vyrobila 2 megawatty, a také první větrná turbína společnosti General Electric. Dánský da: Vindkraftværket Tvindkraft s výškou náboje 46 metrů nad zemí, větším rotorem a výkonem při vyšší rychlosti větru měl kapacitu 2 000 kW, ale nikdy nedosáhl 2 MW výkonu Mod-1. Konstrukční hmotnost Mod-1 mu zabránila stát se konkurenčním komerčním produktem, ale byl nainstalován a spuštěn prototyp Howardův knoflík poblíž Boone v Severní Karolíně. Rychlý návrhový cyklus na velikost několika megawattů založený na první generaci Mod-0 způsobil technické a provozní problémy. Nízkofrekvenční hluk z těžké příhradové věže blokující vítr k rotoru po větru způsoboval problémy rezidencím v blízkosti. S dalším tlakem na snížení financování federálního programu byla turbína demontována v roce 1983.

MOD-2

Tři větrné turbíny MOD-2 zobrazené nahoře v Goodnoe Hills v průběhu roku 1981 měla celkovou výrobní kapacitu 7,5 megawattů.

V roce 1977 získala společnost Boeing kontrakt NASA a US-DOE na návrh, výrobu, konstrukci, instalaci a testování několika modelů větrných turbín o výkonu 2,5 megawattů ve Spojených státech. První čtyři modely MOD-2 byly uvedeny do provozu na začátku 80. let. The průkopnický první tři turbíny se konaly 11. dubna 1980 v Goodnoe Hills ve Washingtonu u příležitosti zahájení výstavby.[7]. První turbína měla být uvedena do provozu v prosinci. [8] 2. září 1982 začal fungovat čtvrtý v Medicine Bow ve Wyomingu. Bonneville Power Administration koupil vyrobenou elektřinu z turbín Goodnoe Hills a integroval ji do regionální energetické sítě. V období května 1981 vytvořily tři turbíny v lokalitě Goodnoe Hills první větrnou farmu na světě. Stránka Goodnoe Hills byla primárně výzkumným projektem pro Boeing, Bonneville Power Administration, NASA a Battelle Memorial Institute. Výzkumný ústav sluneční energie rovněž vyhodnotil vhodnost větrných turbín třídy megawattů jako zdroje elektřiny. V průběhu roku 1986 byly demontovány větrné turbíny MOD-2 v Goodnoe Hills. V roce 1985, posledním úplném roce provozu, činil kombinovaný elektrický výkon tří turbín 8 251 megawatthodin. Větrná turbína Medicine Bow MOD-2 byla prodána do šrotu v roce 1987. V roce 2008 byla Goodnoe Hills Wind Farm otevřeno na stejném webu s 47 REpower 2.0 MW větrné turbíny pro kombinované kapacita typového štítku 94 MW. enXco / Power Holdings vlastní větrnou farmu s PacifiCorp jako kupující energie.[9]

WTS-4

Větrná turbína NASA / DOI / United Technologies 4 MW WTS-4 v Medicine Bow Wyoming držela světový výkonový rekord více než 20 let.

Větrná turbína WTS-4 (4 megawatty) ve Wyomingu byla navržena společností United Technologies (Hamilton Standard Division), pod technickým vedením NASA a s financováním z Ministerstvo vnitra Spojených států. WTS-4 byl uveden do provozu v Medicine Bow ve Wyomingu v roce 1982. Představoval „měkkou“ ocelovou trubkovou věž, čepele ze skleněných vláken, torzní pružiny a dashpoty v hnacím ústrojí a flexibilní teeterovaný náboj. WTS-4 je dodnes nejsilnější větrnou turbínou, která v USA fungovala, a drží si světový rekord ve výkonu po dobu více než 20 let. Ve Švédsku byl zkonstruován a provozován druhý komerční prototyp s menším generátorem (3 megawatty) označený jako WTS-3. Glidden Doman byl Hamilton Standard Manažer systémového designu pro projekt WTS-4 a byl najat švédskou vládou k zahájení projektu WTS-3.[10] V roce 2014 Glidden Doman spoluzalozeny Seawind Ocean Technology B.V. společně s Martinem Jakubowskim a Silvestrem Carusem nasadit novou generaci technologií plovoucího větru založených na konstrukčních úpravách systému větrné turbíny WTS-4 a následné větrné turbíny Gamma 60 1,5 MW v roce 1991.[10][11]

MOD-5B

Tato dvoulistá větrná turbína s průměrem 97,53 m (320,0 ft) byla na počátku 90. let největší největší větrnou turbínou na světě.

Větrná turbína MOD-5B, postavená v roce 1987, byla největší v provozu větrná turbína ve světě v 90. letech. Zakázka na stavbu Mod-5B byla udělena Boeing v roce 1980 a byl nainstalován dne Oahu v roce 1987.[12] S jmenovitou kapacitou 3,2 megawattů, vážil 426 000 kg (939 000 lb) a měl dvoulistý rotor o průměru 97,53 m (320,0 ft) na ocelové věži 60 m (200 ft).[13] Časný provoz Mod-5B prokázal dobrou dostupnost 95 procent pro novou větrnou turbínu první jednotky. Na začátku roku 1988 byl provoz turbíny převeden na Hawaiian Electric Industries, poté do Makani Uwila Power Corporations (MUPC) a udržovány v provozu přerušovaně až do konce roku 1996. Z důvodu finančních potíží byla větrná turbína spolu se zbytkem MUPC odstavena a předána vlastníkovi nemovitosti, společnosti Campbell Estates .[13] Společnost Campbell Estates se rozhodla jednotku rozebrat a prodat do šrotu.[14] DOE zachránil převodovku hnacího ústrojí a generátor v červenci 1998.[13]

Programové dědictví

Žádný z prototypů NASA se běžně nevyrábí jako komerční generátory, protože účelem programu bylo vyvinout technologii a podpořit rozvíjející se průmysl. Mnoho technologií, jako jsou generátory s proměnlivou rychlostí s dvojitým napájením, lehké trubkové věže a technické konstrukční nástroje používané v dnešním větrném průmyslu, byly vyvinuty a propagovány programem NASA.[15] Celkové náklady na program mezi lety 1974 a 1992 činily 330 milionů $. Pro srovnání, globální trh s větrem dosáhl do roku 2008 ročně 47 miliard dolarů.[16] General Electric, Boeing Engineering and Construction, Westinghouse a United Technologies byli obchodními partnery programu, z nichž někteří se dnes zabývají větrným průmyslem. Ačkoli se obecně uvádí, že nebyly vytvořeny žádné obchodní vzory,[4] Průmysloví partneři NASA během tohoto programu skutečně vyráběli komerční turbíny, jako jsou turbíny Boeing Mod-2 (popsané výše) a Westinghouse 600 kW na větrné farmě Kahuku na Havaji.[17] Když ceny ropy od roku 1980 do počátku 90. let poklesly třikrát, během takzvaného „Osmdesátá léta nadbytek oleje ", mnoho výrobců turbín, malých i velkých, opustilo podnik. Například komerční prodej NASA / Boeing Mod-5B skončil v roce 1987, když Boeing Engineering and Construction oznámil, že" plánuje opustit trh protože nízké ceny ropy udržují větrné mlýny na výrobu elektřiny neekonomické. “[18] Souhrn programu velkých větrných turbín DOE / NASA byl publikován v roce 1984.[19]

Viz také

Reference

Poznámky
  1. ^ Asmus 2001, str. 54–56
  2. ^ Cleveland, Cutler J. (2008-08-24). Lawrence, Tom (ed.). „Ulrich Hütter“. Encyklopedie Země. Národní rada pro vědu a životní prostředí. Archivovány od originál dne 13.10.2012. Citováno 2016-08-25.
  3. ^ Viterna a Janetske 1982
  4. ^ A b C Gipe 1995, str. 103–106
  5. ^ „Winds of Change: American Federal Projects 1975–1985“. Winds of Change (dánský web historie větrné energie). Citováno 2016-08-25.
  6. ^ Johnson 2006, s. 1–8
  7. ^ „Nápad větrného mlýna nakloněn“, Spokane (WA) - mluvčí - recenze, 23. dubna 1980, s. 6
  8. ^ "Větrné generátory na pomoc - Obřady označují začátek", Svět (Coos Bay, OR), 19. dubna 1980, s. 14
  9. ^ „Projekty větrné energie v USA - Washington“. Americká asociace pro větrnou energii. 2009-12-31. Archivovány od originálu 31. prosince 2008. Citováno 2010-03-14.CS1 maint: unfit url (odkaz)
  10. ^ A b Jakubowski, Martin. „Historie vývoje technologie Seawind“. Seawind Technology. Citováno 7. ledna 2017.
  11. ^ de Vries, Eize (1. dubna 2020). „Seawind zrychluje vývoj radikální dvoulisté pobřežní turbíny“. Windtech International. Windtech Offshore. Archivováno od originálu 21. června 2020. Citováno 24. července 2020.
  12. ^ „Vývoj systémů větrných turbín Mod-2 a Mod-5B“. Konference o strojírenské přeměně energie mezi studenty. 1985. Bibcode:1985 kus ... 3S ... 3B. Mod-5B, oceněný společností Boeing v roce 1983, má být instalován na ostrově Oahu v roce 1986. Konstrukce Mod-5B o výkonu 3,2 MW těží z provozních a zkušebních zkušeností s Mod-2. Do designu byla navíc začleněna významná vylepšení výkonu. Mod-5B je navržen tak, aby produkoval o 43 procent více energie než Mod-2, jak byl původně dodán. Citovat deník vyžaduje | deník = (Pomoc)
  13. ^ A b C „Větrné turbíny MOD-2 / MOD-5B“. Boeing. Citováno 2016-08-24.
  14. ^ Easterbrook, Gregg (28. června 2009). „Špinavá válka proti čistému uhlí“. New York Times. Citováno 2009-06-30. Energetické oddělení také financovalo takové předražené, nereálné projekty, jako je MOD-5B, větrná turbína, která vážila 470 tun a stála 20 pater: vypadala jako gigantická vrtule, která měla posunout Zemi k novému hvězdnému systému. Nakonec to bylo prodáno do šrotu.
  15. ^ Spera 2009
  16. ^ „Větrná energie shromažďuje páru, největší americký trh: průzkum“. AFP. 02.02.2009. Archivovány od originálu dne 2014-01-31. Citováno 2016-08-25.CS1 maint: unfit url (odkaz)
  17. ^ „Historie projektů větrné energie na Havaji“. Havajské státní ministerstvo pro obchod, hospodářský rozvoj a cestovní ruch. 15. 4. 2002. Archivovány od originálu dne 2008-07-24. Citováno 2016-08-25.CS1 maint: unfit url (odkaz)
  18. ^ Gapay, Les (1987-08-27). „Havajané získají poslední větrný stroj Boeingu: Makani Ho'Olapa přinese energii do 1 140 rezidencí“. Seattle Post-Intelligencer. p. B7. Citováno 2011-03-28.[mrtvý odkaz ]
  19. ^ Linscott, Perkins a Dennett 1984
Zdroje

Další čtení

  • Douthwaite, M. B. (2002). Umožnění inovací: praktický průvodce porozuměním a podporou technologických změn. Zed knihy. 96–101.

externí odkazy