Ветряные мельницы для перекачки воды: история и применение.

Введение

Ветровая мельница для перекачивания воды

Ветровой насос – это ветроприводное устройство, используемое для перекачивания воды. Ветровые насосы применялись для перекачивания воды, по крайней мере, с IX века в современном Афганистане, Иране и Пакистане. Использование ветровых насосов получило широкое распространение в мусульманском мире, а затем распространилось на Китай и Индию. Ветряные мельницы позднее широко использовались в Европе, особенно в Нидерландах и Восточной Англии в Великобритании, начиная с конца Средневековья, для осушения земель в сельскохозяйственных или строительных целях. Работа Саймона Стевина в области водоуправления включала усовершенствование шлюзов и водосбросов для контроля затоплений. Ветряные мельницы уже использовались для откачки воды, но в труде «Van de Molens (О мельницах)» он предложил улучшения, включая идею о том, что колеса должны вращаться медленно, и более совершенную систему зацепления зубьев передач. Эти усовершенствования увеличили эффективность ветряных мельниц, используемых для откачки воды из польдеров, в три раза. Он получил патент на свое изобретение в 1586 году. Привод от ротора ветряной мельницы передавался вниз по башне и выходил через стену, чтобы вращать большое колесо, известное как нория. Нория поддерживала цепь ковшей, опускавшуюся в колодец. Ковши традиционно изготавливались из дерева или глины. Эти ветряные мельницы оставались в эксплуатации до 1950-х годов, и многие башни до сих пор сохранились. Первые иммигранты в Новый Свет привезли с собой технологию ветряных мельниц из Европы. На фермах США, особенно на Великих равнинах, ветровые насосы использовались для перекачивания воды из колодцев для скота. В Калифорнии и некоторых других штатах ветряная мельница была частью автономной системы водоснабжения, включавшей вырытый вручную колодец и водонапорную башню из красного дерева, поддерживающую резервуар из красного дерева и окруженную обшивкой из красного дерева (бак-хаус). Саморегулирующийся ветровой насос был изобретен Дэниелом Халладеем в 1854 году. В конечном итоге стальные лопасти и стальные башни заменили деревянные конструкции, и в период расцвета в 1930 году насчитывалось около 600 000 единиц, мощность которых эквивалентна 150 мегаватт. Очень большие легкие ветровые насосы в Австралии напрямую приводят в действие насос с помощью ротора ветряной мельницы. Дополнительная задняя передача между небольшими роторами для районов с сильным ветром и кривошипом насоса предотвращает попытку опустить штоки насоса вниз на ходе вниз быстрее, чем они могут упасть под действием силы тяжести. В противном случае слишком быстрая перекачка приводит к изгибу штоков насоса, утечке уплотнения набивочной коробки и износу стенки нагнетательной трубы (Великобритания) или всасывающей трубы (США), что приводит к потере всей производительности. Многолопастный ветровой насос или ветровая турбина на вершине решетчатой башни из дерева или стали на долгие годы стал неотъемлемой частью ландшафта сельской Америки. Эти мельницы, изготовленные различными производителями, имели множество лопастей, чтобы они медленно вращались при умеренном ветре и саморегулировались при сильном ветре. Верхняя коробка передач и коленчатый вал преобразовывали вращательное движение во возвратно-поступательное движение, передаваемое вниз по штоку к цилиндру насоса. Сегодня растущие затраты на энергию и усовершенствованная технология насосов повышают интерес к использованию этой некогда уходящей в прошлое технологии.

A windpump is a wind driven device which is used for pumping water. Windpumps were used to pump water since at least the 9th century in what is now Afghanistan, Iran and Pakistan. The use of wind pumps became widespread across the Muslim world and later spread to China and India. Windmills were later used extensively in Europe, particularly in the Netherlands and the East Anglia area of Great Britain, from the late Middle Ages onwards, to drain land for agricultural or building purposes. Simon Stevin's work in the waterstaet involved improvements to the sluices and spillways to control flooding. Windmills were already in use to pump the water out, but in Van de Molens (On mills), he suggested improvements, including the idea that the wheels should move slowly, and a better system for meshing of the gear teeth. These improvements increased the efficiency of the windmills used to pump water out of the polders by three times. He received a patent on his innovation in 1586. The drive from the windmill's rotor was led down through the tower and back out through the wall to turn a large wheel known as a noria. The noria supported a bucket chain which dangled down into the well. The buckets were traditionally made of wood or clay. These windmills remained in use until the 1950s, and many of the towers are still standing. Early immigrants to the New World brought with them the technology of windmills from Europe. On US farms, particularly on the Great Plains, wind pumps were used to pump water from farm wells for cattle. In California and some other states, the windmill was part of a self contained domestic water system, including a hand dug well and a redwood water tower supporting a redwood tank and enclosed by redwood siding (tankhouse). The self regulating farm wind pump was invented by Daniel Halladay in 1854. Eventually, steel blades and steel towers replaced wooden construction, and at their peak in 1930, an estimated 600,000 units were in use, with capacity equivalent to 150 megawatts. Very large lighter wind pumps in Australia directly crank the pump with the rotor of the windmill. Extra back gearing between small rotors for high wind areas and the pump crank prevents trying to push the pump rods down on the downstroke faster than they can fall by gravity. Otherwise pumping too fast leads to the pump rods buckling, making the seal of the stuffing box leak and wearing through the wall of the rising main (UK) or the drop pipe (US) so all output is lost. The multi bladed wind pump or wind turbine atop a lattice tower made of wood or steel hence became, for many years, a fixture of the landscape throughout rural America. These mills, made by a variety of manufacturers, featured many blades so that they would turn slowly with considerable torque in moderate winds and be self regulating in high winds. A tower top gearbox and crankshaft converted the rotary motion into reciprocating strokes carried downward through a rod to the pump cylinder below. Today, rising energy costs and improved pumping technology are increasing interest in the use of this once declining technology.

Всемирное применение

Нидерланды хорошо известны своими ветряными мельницами. Большинство этих знаковых сооружений, расположенных вдоль края польдеров, на самом деле являются ветровыми насосами, предназначенными для осушения земель. Это особенно важно, поскольку значительная часть страны находится ниже уровня моря. В Великобритании термин "ветровой насос" используется редко, и они более известны как дренажные ветряные мельницы. Многие из них были построены в Бродах и Фенсах Восточной Англии для осушения земель, но большинство из них впоследствии были заменены дизельными или электрическими насосами. Многие из оригинальных ветряных мельниц до сих пор стоят в заброшенном состоянии, хотя некоторые были восстановлены. Ветровые насосы широко используются в Южной Африке, Австралии, а также на фермах и ранчо в центральных равнинах и на юго-западе Соединенных Штатов. В Южной Африке и Намибии тысячи ветровых насосов все еще в эксплуатации. Они в основном используются для обеспечения водой для нужд человека, а также питьевой водой для крупных стад овец. Кения также извлекла выгоду из африканской разработки технологий ветровых насосов. В конце 1970-х годов британская НПО Intermediate Technology Development Group оказала инженерную поддержку кенийской компании Bobs Harries Engineering Ltd для разработки ветряных насосов Kijito. Компания Bobs Harries Engineering Ltd до сих пор производит ветряные насосы Kijito, и более 300 из них работают по всей Восточной Африке. Во многих частях мира тросовый насос используется совместно с ветряными турбинами. Этот простой в изготовлении насос работает путем протягивания завязанной веревки через трубу (обычно простую трубу из ПВХ), что приводит к подъему воды в трубу. Этот тип насоса стал распространенным в Никарагуа и других странах.

Строительство

Для постройки ветрового насоса необходимо подобрать лопастной ротор к насосу. В неэлектрических ветровых насосах роторы с высокой степенью заполнения лучше всего использовать в сочетании с насосами вытеснительного типа (поршневыми), поскольку односторонним поршневым насосам требуется примерно в три раза больше крутящего момента для запуска, чем для поддержания работы. Роторы с низкой степенью заполнения, напротив, лучше всего использовать с центробежными насосами, водомётными насосами и насосами с цепью и шайбами, где крутящий момент, необходимый насосу для запуска, меньше, чем для работы на расчетной скорости. Роторы с низкой степенью заполнения предпочтительнее использовать, если они предназначены для привода электрогенератора, который, в свою очередь, может приводить в действие насос.

Ветровые насосы с несколькими лопастями

Многолопастные ветряные насосы можно найти по всему миру и производятся в США, Аргентине, Китае, Новой Зеландии, Южной Африке и Австралии. В США и Канаде они обычно известны как "ветряной петух", поскольку ведут себя подобно традиционному флюгеру, поворачиваясь по направлению ветра (и одновременно измеряя его скорость). Компания Butler внесла улучшения в технологию ветряных насосов в 1897, 1898 и 1905 годах. Ветряной насос диаметром 16 футов (4,8 м) может поднимать до 1600 галлонов (около 6,4 метрических тонн) воды в час на высоту 100 футов при ветре 15–20 миль в час (24–32 км/ч). Однако для запуска им требуется сильный ветер, поэтому они приводят в движение кривошип поршневого насоса. Ветряные насосы требуют минимального обслуживания – обычно достаточно ежегодной замены масла в редукторе. По оценкам, в Соединенных Штатах до сих пор используется около 60 000 ветряных насосов. Они особенно привлекательны для использования в удаленных местах, где нет электроэнергии и сложно обеспечить техническое обслуживание. Типичный многолопастный ветряной насос эффективно перекачивает примерно 4–8% годовой энергии ветра, проходящей через охватываемую им площадь. Эта более низкая эффективность обусловлена несоответствием нагрузки между ветровыми роторами и поршневыми насосами с фиксированным ходом.

Неэффективный ротор

Основная конструктивная особенность многолопастного ротора – "высокий пусковой крутящий момент", необходимый для запуска поршневого насоса. После запуска многолопастный ротор работает при слишком высокой окружной скорости, имея эффективность менее 30%. С другой стороны, современные ветровые роторы могут работать с аэродинамической эффективностью более 40% при более высокой окружной скорости, создавая меньшие вихревые потери в воздушном потоке.

Изменение циклического крутящего момента

Поршневой насос имеет очень легкую фазу всасывания, но фаза подъема тяжелая и создает значительный противокрутящий момент на стартовый ротор, когда кривошип находится в горизонтальном положении и поднимается вверх. Контрвес, установленный на кривошипе в верхней части башни и поворачивающийся вместе с направлением ветра, может хотя бы распределить крутящий момент во время опускания кривошипа.

Разработка улучшенных ветряных насосов

Несмотря на то, что многолопастные ветровые насосы основаны на проверенной технологии и широко применяются, они сталкиваются с фундаментальными проблемами, описанными выше, и требуют практичного механизма изменения рабочего хода.

Эксперименты USDA в Техасе

В период с 1988 по 1990 год в Центре сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США (USDA) в Техасе был испытан ветряной насос с переменным рабочим ходом, основанный на двух запатентованных конструкциях (патент Дона Э. Эйвери № 4.392.785, 1983 г. и патент Элмо Г. Харриса № 617.877, 1899 г.).

Ветряная насос с переменным ходом

Турецкий инженер перепроектировал технологию ветрового насоса с переменным рабочим ходом, используя современное электронное оборудование управления. Исследования начались в 2004 году при государственной поддержке научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Первые коммерческие ветровые насосы нового поколения с переменным рабочим ходом были разработаны спустя десять лет научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Конструкция ветрового насоса мощностью 30 кВт с переменным рабочим ходом включает в себя современный ветровой ротор типа Дарье, систему противовесов и технологию регенеративного торможения.

Вертикальный ветровой насос (VAWP)

Используя ветрогенератор с вертикальной осью, можно решить проблему перенаправления крутящего момента турбины с горизонтальной на вертикальную ось, что позволяет создать простое соединение вала между турбиной и насосом. Такое прямое соединение может обеспечить более высокую эффективность ветрового насоса. Например, объединение системы VAWP с системой капельного орошения высокого давления (HP VAWP) при правильной оптимизации может привести к эффективности в два-три раза большей, чем у традиционных ветряных насосов.

Чжаскер

В Нидерландах тьяскер – это дренажная мельница с обычными парусами, соединенная с архимедовым винтом. Она используется для откачки воды в районах, где требуется небольшой подъем воды. Ветровой вал установлен на треноге, что позволяет ему поворачиваться. Архимедов винт поднимает воду в сборный резервуар, откуда она отводится в канаву, расположенную выше, тем самым осушая землю.

Тайские ветряные насосы

В Таиланде ветряные насосы традиционно строятся на основе китайских конструкций. Эти насосы изготавливаются из бамбуковых столбов, укрепленных проволокой, с парусами из ткани или бамбуковых матов; к тайскому ротору с лопастями прикрепляется весловый насос или насос-водоподъемник. Они в основном используются на солончаках, где обычно требуется подъем воды на высоту менее одного метра.