Turbin angin

Turbin angin merupakan peranti yang menukar tenaga kinetik dari angin kepada tenaga mekanikal. Sekira tenaga mekanikal diubah kepada tenaga elektrik, mesin ini akan dikenali sebagai penjana angin, Unit Kuasa Angin (WPU), atau Pengubah Tenaga Angin (WEC). Sekiranya tenaga mekanikal digunakan bagi memancu mesin, seperti bagi kegunaan mengisar bijiran atau mengepam air, peranti ini dikenali sebagai kincir angin atau pam angin. Dibangunkan selama milennium, turbin angin hari ini dihasilkan dalam pelbagai jenis menegak dan melintang. Turbin terkecil digunakan bagi kegunaan seperti mencaj bateri atau kuasa tambahan pada bot layar; sementara jujukan sambungan turbin-grid lebih besar menjadi sumber besar yang semakin meningkat bagi kuasa eletrik perdagangan. Kincir angin juga digunakan untuk menimba air bagi mengairi sawah. Kincir angin moden adalah mesin yang digunakan untuk menghasilkan tenaga elektrik, disebut juga dengan turbin angin. Turbin angin kebanyakan ditemui di Eropah dan Amerika Utara.

Sejarah

Kincir angin digunakan di Persia (masa kini Iran) seawal 200 B.C. Roda angin Heron dari Alexandria menandakan mesin kuasa angin yang pertama diketahui dalam sejarah. 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. 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.
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. 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. Beberapa bulan kemudian pencipta Amerika Charles F. Brush membina turbin angin beroperasi secara automatik di Cleveland, Ohio. Sungguhpun turbin Blyth dianggap tidak ekonomi di United Kingdom penjana eletrik oleh turbin angin adalah lebih kos efektif di negara yang penduduknya bertaburan. 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 ft) dengan empat bilah garis pusat 23-meter (75 ft). 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.
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 ft), disambung dengan sistem pengagihan 6.3 kV tempatan. Ia dilapurkan memiliki faktor kapasiti tahunan 32 peratus, tidak jauh beza dengan mesin angin masakini.
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.

Sumber

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.

Jenis

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

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.
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
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 Blimp Magenn WindKite turut menggunakan tatarajah ini, yang dipilih kerana mudah dikendali .

Turbin angin luar biasa

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 
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

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.  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.

Jarak turbin angin

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. 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.

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. 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.