Войти
Экспериментальные ветряные турбины НАСА нарисованы в том же масштабе Начиная с 1975 года НАСА управляло программой для Министерства энергетики США и Министерства внутренних дел США для разработки ветряных турбин для электроэнергетики промышленного масштаба в связи с увеличением добычи нефти Цены. В рамках этой новаторской программы был разработан и испытан ряд крупнейших в мире ветряных турбин. Программа была попыткой значительно превзойти нынешнее состояние ветряных генераторов и разработала ряд технологий, позже принятых в ветряной промышленности. Однако развитие коммерческой отрасли было задержано значительным снижением конкурирующих цен на энергоносители в 1980-х годах.
В 1974 г., частично в ответ на увеличение добычи нефти цена после нефтяного кризиса 1973 года, Управление энергетических исследований и разработок (ERDA), позднее входившее в состав Министерства энергетики США, назначило департамент под руководством Луи Дивона для финансирования исследований ветряных турбин коммунального масштаба. НАСА через исследовательский центр Льюиса в Сандаски, штат Огайо (ныне Исследовательский центр Гленна ), было поручено координировать разработку крупными подрядчиками, такими как General Electric, Westinghouse, United Technologies и Боинг.
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 облегченной двухлопастной исследовательской турбины австрийца Ульриха Хюттера. Двухлопастная ветряная турбина с гибкими или качающимися ступицами ротора характеризовала программу под руководством НАСА. НАСА и его подрядчики обнаружили, что два лезвия могут производить по существу такую же энергию, что и три лезвия, но при экономии стоимости и веса лезвия. Двухлопастные роторы вращаются быстрее, чем эквивалентные трехлопастные роторы, что снижает передаточное отношение в коробке передач. Гибкость ротора сводит к минимуму передачу изгибающих нагрузок на трансмиссию; ни одна из ветряных турбин НАСА не испытала отказа редуктора, который часто является проблемой для жестких роторных систем, 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 200 кВт в течение 11 лет и использовала трехлопастный ротор против ветра с решетчатой башней и лопастями, частично поддерживаемыми внутренними растяжками. В рамках этого проекта были получены данные об исследованиях его аэродинамических, электрических и механических характеристик. Важным результатом этих усилий стала разработка модели инженерного проектирования, используемой в отрасли для пассивного управления мощностью.
Более крупные ветряные турбины обеспечивают эффект масштаба. Исследования и прототипы НАСА показали, что существуют значительные проблемы масштабирования 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 блоки, порядка 1 МВт или более. Хотя использовавшиеся в то время комплекты лопастей самого большого диаметра предназначались для вертолетов, длина которых составляла всего 46 футов, предполагалось, что большие комплекты лопастей, охватывающие от 200 до 300 футов в диаметре, можно будет построить, и они будут иметь наименьшую стоимость.
| Модель | Мощность, кВт | Рабочий диаметр, м | Описание | Главный подрядчик | Годы эксплуатации | Примечания |
|---|---|---|---|---|---|---|
| MOD 0 | 100 | 38 | Две лопасти, по ветру и по ветру | Конструкция НАСА с лопастями Lockheed | 1975–1982 | Прототип только на Сандаски |
| MOD 0A | 200 | 38 | Две лопасти, по ветру | Westinghouse | 1977–1984 | Четыре блока установлены для полевых испытаний |
| MOD 1 | 2000 | 61 | Две лопасти, по ветру | General Electric | 1979–1981 | Один установлен на Howard's Knob. Первая в мире турбина с выходной мощностью 2 МВт. |
| MOD 2 | 2500 | 91 | Две лопасти, против ветра | Boeing | 1982–1988 | Три установлены недалеко от Гудно-Хиллз как ветряная электростанция. Четвертая и пятая единицы проданы коммунальным предприятиям, Pacific Gas and Electric снесены в 1988 году |
| WTS 4 | 4000 | 79,2 | Две лопасти, по ветру | United Technologies | 1982–1994 | Одна турбина установлена в Медисин-Боу, штат Вайоминг, и еще одна меньшая версия 3 МВт WTS 3 в Швеции |
| MOD 5A | 7300 | 121,5 | Две лопасти, против ветра | General Electric | Никогда не строился | |
| MOD 5B | 3200 | 97,5 | Две лопасти, против ветра | Boeing | 1987–1996 | Один установлен на Оаху, Гавайи |
Исследовательская ветряная турбина MOD-0 НАСА в Сандаски, штат Огайо Первой разработкой была ветряная турбина MOD-0, построенная недалеко от Исследовательского центра Льюиса в Сандаски, штат Огайо, и введенная в эксплуатацию в сентябре 1975 года. Она служила испытательным стендом для разработки многих концепций для использования в более крупных единицах. Эта конструкция имела подветренный двухлопастной ротор диаметром 38 метров, соединенный с синхронным генератором, с номинальной мощностью 100 кВт при скорости ветра 8 м / с. Устройство, увеличивающее скорость, увеличило частоту вращения турбины на 40 об / мин для приведения в действие генератора 1800 об / мин. Мощность машины регулировалась наклоном лопастей несущего винта.
Первые лезвия MOD-0 были сделаны Lockheed из алюминия. Структурные проблемы возникли практически сразу на корневом конце лопастей. Для решения этой проблемы было предпринято несколько значительных изменений и усилий. Исследование показало, что неожиданно высокие циклические нагрузки были результатом значительного блокирования ветра сложной стропильной конструкцией башни. Это привело к быстрому изменению аэродинамических нагрузок на несущий винт. Чтобы исправить это завалы, из центра башни убрали лестницу доступа. Была запущена крупная программа материалов для лезвий, в рамках которой оценивались композит из стекловолокна, сталь, дерево и даже бетон. НАСА обратилось в компанию Gougeon Brothers, Inc. из Мичигана с просьбой применить их технологию изготовления лодок для ветряных турбин. Полученные в результате деревянные и композитные лезвия заменили алюминиевые лезвия на Mod-0 (и позже Mod-0A), устранив структурные проблемы основания лезвия. Компания Gougeon Brothers успешно внедрила свою продукцию в отрасль ветряных турбин по всему миру.
С MOD-0 было проведено множество экспериментов, в том числе кратковременная работа с лопастями ротора против ветра от башни и испытание одной лопасти для ротора турбины. Она также провела испытания первых генераторов с регулируемой скоростью до их использования в моделях Mod-5B мощностью 3,2 МВт, а затем во всей отрасли. Mod-0 также использовался для тестирования первых башен со стальным корпусом, которые теперь являются доминирующей конструкцией башни. Задача проектирования заключалась в том, чтобы уменьшить вес и стоимость башни при безопасном прохождении через резонанс мягкой конструкции во время запуска.
Опыт эксплуатации прототипа MOD-0 послужил основой для создания нескольких демонстрационных единиц, получивших обозначение MOD-0A. Они были похожи на прототип с таким же размером ротора, но рассчитаны на 200 кВт при немного большей скорости ветра. Westinghouse была назначена генеральным подрядчиком, отвечающим за все строительство. Установки были установлены в Клейтоне, штат Нью-Мексико, в 1977 году, на острове Кулебра, Пуэрто-Рико, в 1978 году, на острове Блок, штат Род-Айленд, в 1979 году, а четвертый - в районе Кахаку, штат Гавайи, в 1980 году.
НАСА / GE Ветряная турбина MOD-1 в Буне, Северная Каролина, была первой в мире турбиной, производившей 2 МВт. НАСА заключило контракт с General Electric в 1978 году на масштабирование по сравнению с MOD-0A с 10-кратным увеличением мощности. Mod-1 был первой ветряной турбиной в мире, производящей 2 мегаватта, а также первой ветряной турбиной General Electric. Датский da: Vindkraftværket Tvindkraft с высотой ступицы 46 метров над землей, большим ротором и мощностью при более высокой скорости ветра имел мощность 2000 кВт, но никогда не достигал выходной мощности 2 МВт. Мод-1. Проектный вес Mod-1 не позволил ему стать конкурентоспособным коммерческим продуктом, но прототип был установлен и запущен в Howard's Knob 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 тяжелых стропильной башни блокирующего ветра с подветренным ротором вызывали проблемы в жилые районы, расположенных рядом. Под дополнительным давлением сокращения финансирования федеральной программы турбина была демонтирована в 1983 году.
Три ветряные турбины MOD-2, изображенные выше в Goodnoe Hills в 1981 году. общая генерирующая мощность составляла 7,5 мегаватт.В 1977 году компания Boeing выиграла контракт с НАСА и Министерством энергетики США на проектирование, изготовление, строительство, установку и испытания нескольких моделей ветряных турбин мощностью 2,5 мегаватт в Соединенных Штатах. Первые четыре модели MOD-2 вошли в строй в начале 1980-х годов. Инновационный для первых трех турбин был проведен 11 апреля 1980 года в Гудно-Хиллз, штат Вашингтон, по случаю начала строительства. Первая турбина должна была быть введена в эксплуатацию в декабре. 2 сентября 1982 года четвертый начал работать в Медисин-Боу, штат Вайоминг. Энергетическое управление Бонневилля закупило электроэнергию, произведенную турбинами Goodnoe Hills, и интегрировало ее в региональную энергосистему. В период с мая 1981 года три турбины на площадке Goodnoe Hills сформировали первую ветряную электростанцию в мире. Сайт Goodnoe Hills был в первую очередь исследовательским проектом для Boeing, Bonneville Power Administration, НАСА и Battelle Memorial Institute. Исследовательский институт солнечной энергии также оценил пригодность ветряных турбин мегаваттного класса в качестве источника электроэнергии. В 1986 году ветряные турбины MOD-2 Goodnoe Hills были демонтированы. В 1985 году, последнем полном году эксплуатации, общая 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 на том же месте открылась ветряная электростанция Goodnoe Hills с 47 REpower 2.0 MW ветряными турбинами для комбинированной паспортной мощности 94 МВт. enXco / Power Holdings владеет ветровой электростанцией, а PacifiCorp является покупателем энергии.
NASA / DOI / United Technologies 4 МВт WTS -4 в Медисин-Боу, штат Вайоминг, на протяжении более 20 лет удерживала мировой рекорд по мощности. Ветряная турбина WTS-4 (4 мегаватта) в Вайоминге была разработана 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 отличался «мягкой» стальной трубчатой башней, лопастями из стекловолокна, торсионными пружинами и переключателями в трансмиссии, а также гибкой качающейся ступицей. На сегодняшний день WTS-4 является самой мощной ветряной турбиной, которая работала в США, и более 20 лет удерживает мировой рекорд по выходной мощности. Второй коммерческий прототип с меньшим генератором (3 мегаватта), обозначенный как WTS-3, был построен и эксплуатировался в Швеции. Глидден Доман был менеджером по проектированию системы Hamilton Standard для проекта WTS-4 и был нанят шведским правительством для инициирования проекта WTS-3. В 2014 году Глидден Доман стал соучредителем Seawind Ocean Technology B.V. вместе с Мартином Якубовски и Сильвестро Карузо для развертывания нового поколения технологий плавающего ветра, основанного на модификациях конструкции системы ветряной турбины WTS-4 и последующей ветряной турбины Gamma 60 мощностью 1,5 МВт в 1991 году.
Эта двухлопастная ветряная турбина диаметром 97,53 м (320,0 футов) была самой большой действующей ветряной турбиной в мире в начале 1990-х годов. Ветряная турбина MOD-5B, построенная в 1987 году, была самой большой из действующих ветряк в мире в 1990-е гг. Контракт на постройку Mod-5B был заключен с Boeing в 1980 году, и он был установлен на Оаху в 1987 году. Обладая номинальной мощностью 3,2 мегаватт, он весил 426000 кг (939000 фунтов) и имел двухлопастной ротор диаметром 97,53 м (320,0 футов) на стальной башне 60 м (200 футов). Ранняя эксплуатация Mod-5B продемонстрировала хорошую готовность новой ветряной турбины первого агрегата - 95 процентов. В начале 1988 года эксплуатация турбины была передана Hawaiian Electric Industries, затем Makani Uwila Power Corporation (MUPC), и эксплуатировалась с перерывами до конца 1996 года. Из-за финансовых трудностей ветряная турбина была закрыта вместе с остальной частью MUPC и передана собственнику Campbell Estates. Campbell Estates решила разобрать агрегат и продать его на металлолом. В июле 1998 года Министерство энергетики утилизировало коробку передач трансмиссии и генератор.
Ни один из прототипов НАСА не стал широко выпускаться в качестве коммерческих генераторов, потому что целью программы было развитие технологии и поддержать развивающуюся промышленность. Многие технологии, такие как генераторы переменной скорости с двойным питанием, легкие трубчатые башни и инструменты инженерного проектирования, используемые сегодня в ветроэнергетике, были разработаны и впервые внедрены в рамках программы НАСА. 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. Коммерческими партнерами по программе были General Electric, Boeing Engineering and Construction, Westinghouse и United Technologies, некоторые из которых сегодня участвуют в ветроэнергетике. Хотя было широко заявлено, что коммерческие проекты не производились, партнеры НАСА по отрасли действительно производили коммерческие турбины во время этой программы, такие как Boeing Mod-2 (описанный ранее) и турбины Westinghouse мощностью 600 кВт на ветряной электростанции Кахуку на Гавайях. Когда цены на нефть упали в три раза с 1980 по начало 1990-х годов во время так называемого «избытка нефти в 1980-х », многие производители турбин, как крупные, так и мелкие, покинули бизнес. Например, коммерческие продажи NASA / Boeing Mod-5B прекратились в 1987 году, когда компания Boeing Engineering and Construction объявила, что они «планируют уйти с рынка, потому что низкие цены на нефть делают ветряные мельницы для производства электроэнергии неэкономичными». Краткое изложение программы развития ветряных турбин Министерства энергетики и НАСА было опубликовано в 1984 году.
