Vējdzirnavas — vēja dzinēji: darbības princips, vēsture un pielietojums

Izzinošs raksts par vējdzirnavu darbības principu, vēsturi un pielietojumu — no tradicionālās graudu malšanas līdz mūsdienu vēja turbīnu elektroenerģijas ražošanai.

Vējdzirnavas ir darba dzinēja veids. Tās pārvērš vēja enerģiju rotācijas enerģijā, izmantojot lāpstiņas — dažkārt sauktas par burām vai lāpstiņām. Rotācijas enerģija tiek pārnesta uz iekārtu ass un tālāk uz mehānismiem vai ģeneratoru, kas rada izmantojamus enerģijas veidus.

Darbības princips

Vienkāršākais skaidrojums: vējš, saduroties ar lāpstiņām, rada spēku, kas liek rīvot rotoram. Modernākās turbīnas balstās ne tikai uz vilkmi, bet galvenokārt uz spēka un paceliena (lift) principu — lāpstiņas formas un leņķa dēļ gaisa plūsma rada spieduma starpību, kas griež rotoru.

Galvenās daļas un to loma:

• Lāpstiņas/rotors — uztver vēju un pārvērš to griešanās kustībā;
• Tornis — paceļ rotoru augstumā, kur vējš parasti ir spēcīgāks un stabilāks;
• Nacelle (korpuss) — satur ģeneratoru, pārnesumus un elektroniku;
• Ģenerators un pārnesumu kaste — pārvērš mehānisko enerģiju elektroenerģijā (ja izmanto elektrību); dažām konstrukcijām pārnesumu kaste var nebūt nepieciešama;
• Vadības sistēma — regulē lāpstiņu leņķi (pichu), rotora ātrumu un drošības mehānismus.

Vēsture

Vējdzirnavu priekšgājēji ir pazīstami jau gadsimtiem senā pagātnē. Dažās pasaules daļās — īpaši Persijā un Āzijā — attīstījās pirmie vertikālās ass vēja dzinēji. Eiropā populāras kļuva post- un torņu dzirnavas, vēlāk — Nīderlandē attīstītie polderu sūkšanas dzinēji.

Pirms rūpnieciskās elektrifikācijas vējdzirnavas galvenokārt izmantoja praktiskiem mērķiem: graudu vai garšvielu malšana, ūdens sūknēšana un koka zāģēšana. Ar tehnoloģiju attīstību tās pārdzīvoja transformāciju — 20. gadsimtā un vēlāk parādījās vēja iekārtas, kas ražoja elektroenerģijas.

Pielietojums

Vējdzirnavu saražoto enerģiju var izmantot dažādos veidos:

• Klasisks mehāniskais darbs: miltos graudu malšana maizes cepšanai (maizes izgatavošana) un citi lauksaimniecības darbi;
• Ūdens sūknēšana polderos, dārzu laistīšanai un dzērienu sagatavošanai;
• Sākotnējā rūpnieciskā darbība: pie kokzāģētavām (kā minēts ar koka zāģēšanu), rīku virpošana u. c.;
• Mūsdienās lielākā daļa vēja dzirnavas tiek izmantotas elektroenerģijas ražošanai — tās inženieri sauc par vēja turbīnām, bet ikdienā bieži vien turpina lietot vārdu "vējdzirnavas".

Veidi un konstrukcijas

Galvenie veidi pēc asas ass orientācijas:

• Horizontālās ass turbīnas — visizplatītākās modernajās elektroenerģijas iekārtās; lāpstiņas atgādina vēja plostus un rotors stāv pret vējā virzienu;
• Vertikālās ass turbīnas — vieglāk piestiprināmas uz ēkām un labāk darbojas mainīga vēja apstākļos; piemērotas urbānai videi vai mazai ražai.

Konstrukcijas variācijas ietver salokāmās, divlape, trīslape un citus dizainus; materiāli — koks, tērauds, kompozītmateriāli — lielākoties tiek izvēlēti pēc izturības un efektivitātes prasībām.

Priekšrocības un trūkumi

• Priekšrocības: atjaunojams energoavots, zemākas emisijas nekā fosilajiem kurināmajiem, iespējami zemi ekspluatācijas izmaksu procents pēc uzstādīšanas un vietējas enerģijas ražošana;
• Trūkumi: mainīga ražošana atkarībā no vēja, nepieciešama laika gaitā uzturēšana, iespējamā ietekme uz putniem un sikspārņiem, vizuāla un akustiska ietekme tuvcīņām;

Ietekme uz vidi un uzturēšana

Vējdzirnavu vides ietekme ir salīdzināmi mazāka nekā fosilo resursu iekārtām, taču svarīgi ievērot labu plānošanu un tehnoloģiskas novēršanas metodes, lai samazinātu putnu traucējumus, trokšņu izplatīšanos un vietējo ainavas degradāciju. Uzturēšana ietver regulāras pārbaudes, lāpstiņu balansēšanu un remontu, eļļošanas un elektronikas diagnostiku.

Nākotne un tendences

Nākotnē vējdzirnavu nozare attīstās virzienā uz lielākiem un efektīvākiem rotoriem, plašāku offshore (jūras) parku izmantošanu, bateriju uzglabāšanas sistēmu un elektroenerģijas tīklu integrāciju, kā arī ūdeņraža ražošanu no pārprodukcijas. Turklāt digitalizācija un vieda vadība uzlabo ražību un uzticamību.

Apkopojot: vējdzirnavas — gan tradicionālās, gan mūsdienu vēja turbīnas — ir būtisks atjaunojamās enerģijas avots ar plašu pielietojumu vēsturē un arvien nozīmīgāku lomu mūsdienu enerģētikā.

Vēsture

Par ērģelēm, ko darbināja vēja rats, 2. gadsimtā pēc mūsu ēras rakstīja grieķu inženieris Hero. Iespējams, tā bija pirmā mašīna vēsturē, kas izmantoja vēja enerģiju. Vertikālās ass vējdzirnavas tika izmantotas Persijas austrumos (Sistar) līdz 60. gadam pēc mūsu ēras. Horizontālās ass vējdzirnavas izgudroja Ziemeļrietumeiropā 1180. gados. Šāda tipa vējdzirnavas bieži izmanto mūsdienās.

Agrīnā vēsture

Pirmajām vējdzirnavām bija garas vertikālas vārpstas ar taisnstūra formas lāpstiņām. Tās pastāvēja Persijā 9. gadsimtā. Ir stāsts par vējdzirnavām un otro kalifu Umāru (634.-644. gadā). Nav zināms, vai tas ir patiess stāsts. Šīs vējdzirnavas bija izgatavotas no sešām līdz divpadsmit burām. Buras bija pārklātas ar niedru paklāju vai audumu. Tās ļoti atšķīrās no Eiropas versijām. Līdzīga veida vertikālas vārpstas vējdzirnavas ar taisnstūra lāpstiņām ir sastopamas arī 13. gadsimta Ķīnā. Tās izmantoja apūdeņošanai.

Varoņa vēja darbināmās ērģeles (rekonstrukcija)

Kā tie darbojas

Vējdzirnavu lāpstiņas jeb buras griež vējš. Zobrati un zobrati liek griezties vējdzirnavās esošajai piedziņas vārpstai. Vējdzirnavās, ko izmanto miltu ražošanai, tas griež malšanas akmeņus. Akmeņi griežas, starp tiem tiek sasmalcināti kvieši (vai citi graudi). Vējdzirnavās, ko izmanto ūdens sūknēšanai, griežot piedziņas vārpstu, virza virzuli. Virzoties uz augšu un uz leju, virzuļstūkls var iesūkt un izspiest ūdeni. Vējdzirnavās, ko izmanto enerģijas ražošanai, piedziņas vārpsta ir savienota ar daudziem zobratiem. Tas palielina ātrumu un tiek izmantots, lai grieztu ģeneratoru un ražotu elektrību.

Zobrati un zobrati vecās vējdzirnavās

Vējdzirnavas kultūrā un literatūrā

Miguela de Servantesa grāmatā "Don Kihots de La Manča" ir svarīga aina, kurā Dons Kihots uzbrūk vējdzirnavām. Viņš domā, ka tās ir vardarbīgi milži. Šī iemesla dēļ La Manča un tās vējdzirnavas ir slavenas. Tas ir arī frāzes "tilting at windmills" (vērsties pret vējdzirnavām) izcelsme. Tas nozīmē bezjēdzīgu rīcību. "Moulin Rouge" tulkojumā tieši no franču valodas nozīmē "Sarkanās vējdzirnavas".

Spānijas vējdzirnavas pie La Mančas.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir vējdzirnavas?

Q: Kā var izmantot vēja dzirnavu radīto enerģiju?

J: Kā inženieri sauc modernās vēja ģeneratoru mašīnas?

J: Kā vējdzirnavas visbiežāk izmantoja pirms mūsdienām?

J: Cik ilgi vēsturē ir izmantotas vējdzirnavas?

J: Kā sauc tradicionālo vējdzirnavu lāpstiņas?

Meklēt pēc burta