Turbin angin

Kincir angin digunakan di Persia (masa kini Iran) seawal 200 B.C.^[1] Roda angin Heron dari Alexandria menandakan mesin kuasa angin yang pertama diketahui dalam sejarah.^[2][3] Bagaimanapun, kincir angin yang pratikal yang pertama diketahui di bina di Sistan, region antara Afghanistan dan Iran, dari abad ke-7. "Panemone WECS" ini merupakan kincir angin paksi menegak, yang memiliki gandar panjang menegak dengan bilah segi empat tepat.^[4] Diperbuat dari enam hingga dua belas layar kincir angin dilitupi dengan tikar mensiang atau bahan kain, kincir air ini digunakan bagi mengisar bijiran atau mengangkut air, dan digunakan dalam industri kilang tepung dan tebu.^[5]

Kincir angin pertama kali di Europah semasa musim pertengahan. Rekod sejarah pertama mengenai kegunaannya di England bertarikh sehingga abad ke-11 atau 12 dan terdapat lapuran mengenai pejuang salib jerman membawa kemahiran membuat kincir angin mereka ke Syria sekitar 1190.^[6] Menjelang abad ke-14, kincir angin belanda digunakan bagi penyaliran di kawasan di delta Rhine.

Turbin angin penjana eletrik pertama, merupakan mesin pencaj bateri yang dipasang pada Juli 1887 oleh ahli akademik James Blyth dari Scotland bagi menerangi rumah rehatnya di Marykirk, Scotland.^[8] Beberapa bulan kemudian pencipta Amerika Charles F. Brush membina turbin angin beroperasi secara automatik di Cleveland, Ohio.^[8] Sungguhpun turbin Blyth dianggap tidak ekonomi di United Kingdom^[8] penjana eletrik oleh turbin angin adalah lebih kos efektif di negara yang penduduknya bertaburan.^[6] Di Denmark menjelang 1900, terdapat 2,500 kincir angin bagi beban mekanikal seperti pam dan kilang, menghasilkan anggaran kuasa puncak sekitar 30 MW. Mesin terbesar adalah menara 24-meter (79 ka) dengan empat bilah garis pusat 23-meter (75 ka). Menjelang 1908 terdapat 72 penjana eletrik kuasa angin beroperasi di Amerika Syarikat dari 5 kW hingga 25 kW. Sekitar tempoh Perang Dunia Pertama, pengilang kincir angin Amerika menghasilkan 100,000 kincir angin ladang setiap tahun, kebanyakannya bagi mengepam air.^[9]Menjelang tahun 1930-an, penjana eletrik berkuasa angin adalah kebiasaan di ladang, kebanyakannya di Amerika Syarikat di mana sistem pengagihan masih belum di pasang. Pada tempoh ini, keluli ("tensile") tegang-tinggi adalah murah, dan penjana diletakkan di atas menara keluli bersilang pasang siap yang terbuka.

Awalan kepada penjana angin mendatar moden mula digunakan di Yalta, USSR pada tahun 1931. Ini adalah penjana 100 kW pada menara 30-meter (98 ka), disambung dengan sistem pengagihan 6.3 kV tempatan. Ia dilapurkan memiliki faktor kapasiti tahunan 32 peratus, tidak jauh beza dengan mesin angin masakini.^[10]Pada musim luruh tahun 1941, turbin angin megawatt pertama diselaras pada grid eletrik di Vermont. Turbin angin Smith-Putnam ini hanya bejalan selama 1,100 jam sebelum mengalami kegagalan kritikal. Unit ini tidak digantikan kerana kekurangan bahan semasa perperangan.

Turbin angin bersambung dengan grid eletrik pertama yang beroperasi di U.K. dibina John Brown & Company pada tahun 1951 di Pulau Orkney.^[8][11]

Ukuran kuantitif bagi tenaga angin yang ada pada sebarang tempat tertentu dikenali sebagai kepadatan tenaga angin ("Wind Power Density - WPD") Ia merupakan pengiraan bagi purata tahunan kuasa yang terdapat pada setiap meter persegi di tempat hayunan turbin, dan dikumpulkan bagi ketinggian berbeza dari paras permukaan tanah. Pengiraan kepadatan kuasa angin termasuk kesan kelajuan angin dan kepadatan udara. Peta warna berkod disediakan bagi kawasan tertentu yang digambarkan, sebagai contoh, sebagai "Purata Kepadatan Kuasa Tahunan pada 50 Meter." Bagi Amerika Syarikat, hasil dari pengiraan di atas dimasukkan pada index yang dibangunakan oleh Makmal Tenaga Diperbaharui Kebangsaan Kerajaan Persekutuan Amerika Syarikat dan dirujuk sebagai "NREL CLASS." Semakin besar pengiraan WPD, lebih tinggi ia dinilai meruruk pengelasan. Julat pengelasan dari Kelas 1 (200 watt/meter persegi atau kurang pada ketinggian kuran dari 50 meter) sehingga Kelas 7 (800 hingga 2000 watt/meter persegi). Ladang angin dagangan biasanya terletak di kawasan Kelas 3 atau lebih tinggi, sungguhpun beberapa kawasan terpencil di dalam kawasan yang dikatakan Kelas 1 mungkin mudah untuk digunakan.^[12]

Turbin angin boleh berputar samaada pada paksi menegak, mendatar, yang sebelumnya adalah lebih lama dan biasa.^[13]

Gandar mendatar

Turbin angin paksi mendatar ("Horizontal-Axis Wind Turbines -HAWT") memiliki gandar rotor utama dan penjana eletrik pada puncak menara dan perlu ditunding ke arah angin. Turbin kecil ditunding hanya dengan penahan angin ("wind vane") yang ringkas, sementara turbin besar biasanya menggunakan penderia angin digabung dengan motor servo. Kebanyakannya memiliki kotak gear, yang meningkatkan putaran perlahan kepada putaran lebih pantas yang lebih sesuai untuk memancu penjana eletrik.^[14]

Oleh kerana menara menghasilkan olahan di belakangnya, turbin biasanya diletaakn menhadap angin menara penyokongnya. Bilah turbin biasanya kaku bagi menghalang ia ditolak membengkok mengenai menara oleh angin kencang. Tambahan lagi, bilah biasanya diletakkan pada jarak yang agak jauh di depan menara dan kadangkala dicondongkan ke hadapan ke dalam angin sedikit.

Mesin membelakang angin telah di bina, sungguhpun berhadapan dengan masalah perolahan (gelombang layar), kerana ia tidak memerlukan mekanisma tambahan bagi menyelarasnya dengan angin, dan kerana dalam angin kencang bilah boleh dibiarkan melentur yang mengurangkan kawasan rangkuman mereka dengan itu rintangan angin mereka. Oleh kerana olakan berulang-ulang boleh mendorong kepada kegagalan lesu ("fatigue"), kebanyakan reka bentuk HAWT adalah mengadap angin.

11 x 7,5 MW E126 Estinnes Windfarm, Belgium, Julai 2010, sebulan sebelum disiapkan, dengan dia bahagian bilah baling-baling unik.

Turbin angin moden

Turbin yang digunakan di ladang angin bagi pengeluaran perdagangan bagi kuasa eletrik biasanya memiliki tiga bilah dan ditunding ke arah angin oleh motor kawalan komputer. Ia biasanya memiliki hujung kelajuan tinggi melampaui 320 kilometer per jam (200 mph), amat efisen, dan riak tork rendah, yang menyumbang kepada ketahanannya. Bilahnya biasanya bewarna kelabu pucat bagi menyamai langit dan julat panjang antara 20 hingga 40 meter (66 hingga 131 ka) atau lebih. Julat ketinggian menara keluli tiub antara 60 hingga 90 meter (200 hingga 300 ka). Mata bilah berputar antara 10-22 putaran seminit. Pada 22 putaran seminit kelajuan hujung melampaui 90 metres per saat (300 ft/s).^[15][16] Kotak gear biasa digunakan bagi meningkat kelajuan penjana, sungguhpun reka bentuk mungkin menggunakan pacuan langsung penjana annular. Sesetengah model beroperasi pada kelajuan sekata, tetapi lebih banyak tenaga boleh dikumpulkan oleh turbin pelbagai kelajuan yang menggunakan penukar kuasa keadaan pepejal sebagai antaramuka dengan sistem pengagihan. Kesemua turbin dilengkapi dengan ciri-ciri perlindungan bagi mengelakkan kerosakan ketika angin kencang, dengan menyendeng bilah pada angin yang mengurangkan putaran mereka, dibantu oleh brek.

Reka bentuk paksi menegak

Turbin angin paksi menegak (atau Vertical-Axis Wind Turbinesor VAWT) memiliki gandar rotor utama dipasang menegak. Kelebihan utama aturan ini adalah turbin tidak perlu ditunding arah angin untuk berkesan. Ini merupakan kelebihan di tapak di mana arah angin adalah berbeza-beza, sebagai contoh apabila disekalikan pada bangunan. Kelemahan utamanya termasuk kelajuan putaran rendah yang menghasilkan tork lebih tinggi dan dengan itu kos sistem enjin yang lebih mahal, sifat semulajadi aerodinamik turbin angin lebih rendah, 360 darjah putaran aerofoil dalam aliran angin setiap kitaran dan dengan itu beban dinamik lebih tinggi pada bilah, tork denyutan terhasil oleh sesetengah reka bentuk rotor pada siste enjin, dak kesukaran memodel aliran angin dengan tepat dan dengan itu cabaran bagi menganalisa dan mereka rotor sebelum penghasilan prototaip.^[17].

Dengan gandar menegak, generator dan kotak gear boleh diletak berhampiran tanah, menggunakan pacuan langsung dari pemasangan rotor ke kotak gear di tanah, dengan itu meningkatkan kemudah capaian bagi penyelenggaraan.

Apabila turbin dipasang di atas atap, bangunan biasanya mengarah angin melampaui atap dan ini mampu mengganda kelajuan angin pada turbin. Sekiranya ketinggian pemasangan menara turbin atas atap sekitar 50% dari ketinggian bangunan, ini menghampiri kuasa angin maksima optima dan gelora angin minima. Ia perlu dingati bahawa kelajuan angin dalam persekitaran bangunan biasanya lebih rendah berbanding tapak luar bandar terdedah^[18]

Janis lain gandar menegak adalah turbin Sejajar "Parallel" sama dengan kipas lintang atau kipas emparan yang menggunakan kesan bumi. Turbin paksi tegak jenis ini telah dicuba selama beberapa tahun^[19] Blimp Magenn WindKite turut menggunakan tatarajah ini, yang dipilih kerana mudah dikendali ^[20].

Jenis kecil

Turbin udara Darrieus

turbin "Pengepuk telur", atau turbin Darrieus, dinamakan sempena pencipta [[Perancis, Georges Darrieus.^[21] Ia sangat efisen, tetapi menghasilkan riak tork besar dan tekanan berkitar pada menara, yang menyebabkan kurang boleh diharap. Ia juga pada umumnya memerlukan sumber tenaga luaran, atau rotor Savonius tambahan bagi mula berputar, disebabkan tork pemula amat rendah. Riak tork dikurangkan dengan menggunakan tiga atau lebih bilah yang menghasilkan rotor yang lebih tegar. Kepaduan diukur melalui luas bilah dibahagi dengan luas rotor. Turbin Darrieus jenis baru tidak diikat menggunakan kabel tumpang tetapi memiliki struktur utama luaran menyambung pada bering atas.^[22]

Giromill

Jenis kecil turbin Darrieus adalah bilah lurus berbanding bilah melengkung. Jenis cycloturbine ini memiliki pelbagai anggul ("variable pitch") bagi mengurangkan denyutan tork dan bermula sendiri.^[23] Kelebihan pelbagai anggul adalah: tork pemula tinggi; lengkungan tork agak leper dan lebar; nisbah laju bilah rendah; faktor prestasi lebih tinggi; operasi lebih berkesan dalam angin berpusar; dan nisbah laju bilah lebih rendah yang mengurangkan tekanan bengkok bilah. Bilah lurus, V, atau melengkung boleh digunakan.^[24]

Turbin angin Savonius

Ini merupakan peranti jenis seretan dengan dua atau lebih pencedok yang digunakan pada anemometer, Flettner vents (biasa dilihat pada atap bas atau van), dan turbin kuasa kurang efisen boleh diharap. Ia sentiasa hidup diri sekiranya terdapat sekurang-kurangnya tiga pencedok.

Savonius berpilin

Savonius berpilin merupakan savonius diubah suai, dengan pencedok helix panjang bagi memberikan tork yang lancar, ini biasanya digunakan sebagai turbin angin atap atau di sesetengah bot laut (seperti Kacukan Hornblower).

Turbin angin direka bagi menggunakan tenaga angin yang wujud di sesuatu tapak. Model aerodinamik turbin angin digunakan bagi menentukan ketinggian menara optima, sistem kawalan, bilangan bilah, dan bentuk bilah.

Turbin angin menukarkan tenaga angin kepada tenaga eletrik pengagihan. Turbin gandar mendatar biasa boleh dibahagikan kepada tiga komponen.

• Komponen rotor, yang menyumbang sekitar 20% kos turbin angin, termasuk bilah bagi menukar tenaga angin kepada tenaga putaran kelajuan rendah.
• Komponen generator, yang menyumbang sekitar 34% dari kos turbin angin, termasuk penjana eletrik, pengawal eletronik, dan kemungkinannya kotak gear (contoh. planetary gearbox,^[25] adjustable-speed drive ^[26] atau continuously variable transmission^[27]) component for converting the low speed incoming rotation to high speed rotation suitable for generating electricity.
• Komponen penyokong struktur, yang sekitar 15% dari kos turbin angin, termasuk menara dan mekanisma oleng rotor.^[28]

Turbin angin 1.5 MW merupakan jenis biasa dilihat di Amerika Syarikat yang memiliki menara setinggi 80 meter. Pemasangan rotor (bilah dan paksi) seberat 48,000 paun (22,000 kg). Nasel, yang mengandungi komponen penjana, seberat 115,000 paun (52,000 kg). Dasar konkrit bagi menara dibina dengan menggunakan 58,000 paun (26,000 kg) keluli diperkukuh dan mengandungi 190 meter persegi (250 ela persegi) konkrit. Garis pusat tapaknya adalah 50 kaki (15 m) dan setebal 8 kaki (2.4 m) pada tengahnya.^[29]

Satu turbin angin One E-66 di Windpark Holtriem, Jerman, memiliki pelantar tinjau, dibuka pada pelawat. Satu lagi turbin jenis yang sama, dengan dek tinjau, terdapat di Swaffham, England. Turbin angin bawaan udara juga telah banyak kali dikaji tetapi masih belum menghasilkan tenaga yang besar. Secara konsep, turbin angin juga boleh digunakan bersama sejumlah besar menara suria bayu menaik menegak yang besar bagi mengeluarkan tenaga dari haba yang dihasilkan oleh matahari.

Turbin angin yang menggunakan kesan Magnus telah dibangunakan ^[30]

Turbin udara Ram merupakan bentuk khas bagi turbin kecil yang dipasang pada sesetengah kapal terbang. Apabila digunakan, RAT diputar oleh aliran udara melepasi kapal terbang dan mampu membekalkan tenaga bagi sistem paling penting sekiranya berlaku kehilangan kesemua eletrik di atas kapal terbang.

Turbin angin kecil boleh sekecil penjana lima puluh wat bagi kegunaan bot atau karavan. Jabatan US Department of Energy's National Renewable Energy Laboratory (NREL) mentakrifkan turbin angin kecil sebagai yang kecil atau menyamai dengan 100 kilowat.^[31] Unit kecil kebiasaannya memancu penjana secara langsung, menghasilkan arus langsung, bilah aeroelastik, bering sepanjang hayat dan menggunakan layar bagi mengarah menghadap angin.

Turbin lebih besar dan mahal biasanya memiliki sistem enjin bergear, menghasilkan arus ulang alik, flaps dan diarah secara aktif menghadap angin. Penjana pemancu langsung dan bilah aeroelastik bagi turbin angin besar sedang dikaji.

Turbin angin mendatar terbaik diselang jarak antara 15 hingga 25 kali garis pusat kipas. Ini telah dirumuskan dalam satu penyelidikan yang dijalankan oleh Charles Meneveau dari Universiti Johns Hopkins. Pada kebanyakan ladang turbin angin mendatar, jarak 7 kali garius pusat kipas sering dikekalkan, but this has been shown to be too little.^[32] Turbin angin menegak boleh diletakkan lebih hampir berdekatan selagi pola putaran berselang dibina bagi membenarkan turbin bersebelahan untuk bergerak pada arah yang sama ketika ia mendekati sesama sendiri.

Beberapa kes terjadi di mana penutup turbin angin terbakar. Kerana ia biasanya terletak diluar jangkauan peralatan memadam api piwaian, ianya hampir mustahin bagi memadamkan api sedemikian. Dalam beberapa kes satu atau lebih bilah rosak atau tercabut.^[33] Pada 2010 satu ribut mencabut bilah kesemua 25 turbin angin di Penempatan Campo Indian di California, USA.^[34] Juga beberapa turbin angin turut roboh.

Kincir angin praktik yang pertama ialah kincir angin berpaksi tegak yang direka di timur Parsi seperti yang dicatatkan oleh ahli geografi Parsi Estakhri pada kurun ke-9.^[4][35] Kesahihan satu anekdot yang lebih awal mengenai kincir angin melibatkan khalifah kedua Umar (AD 634–644) masih dipersoalkan berdasarkan pindaan kurun ke-10.^[36] Dibuat daripada enam hingga 12 layar yang dilputi anyaman mensiang atau kain, kincir angin ini digunakan untuk mengisar jagung atau mengepam air, dan cukup berbeza dengan versi-versi Eropah yang terkemudian. Kincir-kincir angin ini digunakan secara meluas di seluruh pelosok Khilafah pada kurun ke-9 dan tersebar ke Eropah melalui Sepanyol Islam.^[37] Jenis yang serupa bagi kincir angin bertangkai tegak dengan bilah-bilah segi empat tepat yang digunakan untuk tujuan pengairan, juga dapat ditemui di China pada kurun ke-13 (semasa pemerintahan Dinasti Jurchen Jin di utara) dan diperkenalkan oleh pengembaraan Yelü Chucai ke Turkestan pada tahun 1219.^[38]

Kincir angin berpaksi mengufuk

Kincir angin tetap

Kincir angin tetap yang diarahkan pada angin yang lazim bertiup contohnya digunakan besar-besaran di pulau-pulau Cyclades di Yunani. Penjimatan kuasa dan pengangkutan menggalakkan penggunaan kincir-kincir 'luar pesisir' ini bagi tujuan pengisaran bijirin yang diangkut daripada tanah besar dan tepung sebagai hasilnya. Sepersepuluh daripada perkongsian tepung ini dibayar kepada pihak pengisar sebagai upah. Jenis ini menaikkan layar-layar tiga segi apabila ia beroperasi.

Kincir angin yang menghadap angin

Di barat laut Eropah, kincir angin berpaksi mengufuk atau menegak wujud sejak suku terakhir kurun ke-12 di segitiga utara Perancis, timur England dan Flanders. Joseph Needham menyatakan bahawa rujukan terawal yang diketahui datang pada tahun 1191 oleh Dean Herbert dari Anglia Timur yang kononnya bersaing dengan kincir angin biara di Bury St Edmunds.^[39] Kincir-kincir terawal ini digunakan untuk mengisar bijirin. Bukti yang wujud kini ialah bahawa jenis terawal adalah kincir tiang yang dinamakan begitu kerana wujudnya tiang tegak besar yang menyeimbangkan struktur utama kincir. Dengan menaikkan badan sebegini, kincir dapat berputar untuk menghadap (pelbagai) arah angin; syarat yang perlu bagi kincir angin untuk beroperasi secara ekonomi di barat laut Eropah yang arah angin di situ berubah-ubah.

• "Bagaimanakah turbin angin berfungsi?". Pakcik Engineer.
• Wind Energy and the Environment Diarkibkan 2009-07-21 di Wayback Machine
• Wind Projects
• Wind turbine simulation, National Geographic
• Domestic and Commercial wind turbine directory and information wiki, SustainableX.com
• Advantages and Disadvantages of Wind Energy