Vindpump - Windpump
En vindpump är en typ av väderkvarn som används för att pumpa vatten .
Vindpumpar har använts för att pumpa vatten sedan minst 800 -talet i det som nu är Afghanistan , Iran och Pakistan . Användningen av vindpumpar blev utbredd över den muslimska världen och spred sig senare till Kina och Indien . Vindkvarnar användes senare i stor utsträckning i Europa, särskilt i Nederländerna och East Anglia -området i Storbritannien , från sen medeltid och framåt, för att dränera mark för jordbruks- eller byggnadsändamål.
Simon Stevins arbete i vattenstationen innebar förbättringar av slussar och spill för att kontrollera översvämningar . Väderkvarnar användes redan för att pumpa ut vattnet, men i Van de Molens ( On mills ) föreslog han förbättringar, inklusive tanken att hjulen skulle röra sig långsamt och ett bättre system för att koppla ihop kugghjulen . Dessa förbättringar ökade effektiviteten hos väderkvarnarna som används för att pumpa ut vatten från polders med tre gånger. Han fick patent på sin innovation 1586.
Åtta till tio blad väderkvarnar användes i Murcia , Spanien , för att höja vatten för konstbevattning. Drivningen från väderkvarnens rotor leddes ner genom tornet och tillbaka ut genom väggen för att vända ett stort hjul som kallas noria . De noria stödde en skop- som dinglade ner i brunnen. Skoporna var traditionellt gjorda av trä eller lera. Dessa väderkvarnar förblev i bruk fram till 1950 -talet, och många av tornen står fortfarande kvar.
Tidiga invandrare till den nya världen tog med sig tekniken för väderkvarnar från Europa. På amerikanska gårdar, särskilt på Great Plains , användes vindpumpar för att pumpa vatten från jordbruksbrunnar för nötkreatur. I Kalifornien och några andra stater var väderkvarnen en del av ett fristående tappvattensystem, inklusive en handgrävd brunn och ett vattentorn i redwood som stöder en redwoodtank och omsluts av redwood-sidospår ( tankhus ). Den självreglerande gårdens vindpump uppfanns av Daniel Halladay 1854. Så småningom ersatte stålblad och ståltorn träkonstruktion, och på sin höjd 1930 användes uppskattningsvis 600 000 enheter med en kapacitet motsvarande 150 megawatt. Mycket stora lättare vindpumpar i Australien vevar direkt pumpen med väderkvarnens rotor. Extra bakväxel mellan små rotorer för områden med hög vind och pumpens vev förhindrar att försöka trycka ner pumpstängerna på nedslaget snabbare än att de kan falla av tyngdkraften. Annars kan pumpning för snabbt leda till att pumpstängerna knäcker sig, vilket gör att packboxens tätning läcker och slits genom väggen på det stigande huvudet (UK) eller droppröret (US) så att all effekt går förlorad.
Den fler blad vind pump eller vind turbin ovanpå ett gitter torn av trä eller stål blev därmed i många år, en fixtur av landskapet hela landsbygden Amerika. Dessa kvarnar, tillverkade av en mängd olika tillverkare, innehöll många blad så att de skulle svänga långsamt med avsevärt vridmoment i måttliga vindar och vara självreglerande i kraftiga vindar. En tornväxellåda och vevaxel omvandlade rotationsrörelsen till fram- och återgående slag som fördes nedåt genom en stång till pumpcylindern nedan. I dag ökar energikostnaderna och förbättrad pumpteknik intresset för att använda den en gång sjunkande tekniken.
Användning över hela världen
Den Nederländerna är väl känt för sina väderkvarnar. De flesta av dessa ikoniska strukturer som ligger längs kanten av polders är faktiskt vindpumpar, utformade för att dränera marken. Dessa är särskilt viktiga eftersom mycket av landet ligger under havsnivån .
I Storbritannien används termen vindpump sällan, och de är bättre kända som dräneringsväderkvarnar . Många av dessa byggdes i The Broads och The Fens of East Anglia för tömning av mark, men de flesta av dem har sedan ersatts av diesel- eller eldrivna pumpar. Många av de ursprungliga väderkvarnarna står fortfarande i ett nedlagt tillstånd även om några har restaurerats. [behöver citat]
Vindpumpar används i stor utsträckning i södra Afrika , Australien och på gårdar och rancher i de centrala slätterna och sydvästra USA. I Sydafrika och Namibia arbetar fortfarande tusentals vindpumpar. Dessa används mest för att tillhandahålla vatten för mänskligt bruk samt dricksvatten för stora fårbestånd.
Kenya har också gynnats av den afrikanska utvecklingen av vindpumpsteknik. I slutet av 1970 -talet gav den brittiska NGO Intermediate Technology Development Group teknisk support till det kenyanska företaget Bobs Harries Engineering Ltd för utvecklingen av Kijito -vindpumparna. Bobs Harries Engineering Ltd tillverkar fortfarande Kijito vindpumpar och mer än 300 av dem är verksamma i hela Östafrika .
I många delar av världen används en reppump i kombination med vindkraftverk. Denna lättkonstruerade pump fungerar genom att dra ett knutet rep genom ett rör (vanligtvis ett enkelt PVC-rör) som gör att vattnet dras upp i röret. Denna typ av pump har blivit vanlig i Nicaragua och andra platser.
Konstruktion
För att konstruera en vindpump måste rotorbladet anpassas till pumpen. Med icke-elektriska vindpumpar används rotorer med hög soliditet bäst i kombination med pumpar med positiv förskjutning (kolv), eftersom enkelverkande kolvpumpar behöver ungefär tre gånger så mycket vridmoment för att starta dem som för att hålla dem igång. Rotorer med låg soliditet, å andra sidan, används bäst med centrifugalpumpar , vattenstegspumpar och kedje- och tvättpumpar, där vridmomentet som pumpen behöver för att starta är mindre än det som behövs för att köra med designhastighet. Rotorer med låg soliditet används bäst om de är avsedda att driva en elgenerator; som i sin tur kan driva pumpen.
Flerbladiga vindpumpar
Flerbladiga vindpumpar finns över hela världen och tillverkas i USA, Argentina, Kina, Nya Zeeland, Sydafrika och Australien. Vanligt känt i USA och Kanada som en "väderkran" eftersom den beter sig ungefär som en traditionell vädervinge, som rör sig i vindens riktning (men också mäter vindhastighet). Butler -märket lade till förbättringar av tekniken för vindpumpar 1897, 1898 och 1905 En vindpump på 4,8 m i diameter kan lyfta upp till cirka 6,4 ton vatten per timme till en höjd av 100 fot med en vind på 15–20 mph (24–32 km/h) ). Men de tar en stark vind för att starta så de vänder på kolven på pumpen. Vindpumpar kräver lite underhåll - vanligtvis bara byte av växellådsolja årligen. Uppskattningsvis 60 000 vindpumpar används fortfarande i USA. De är särskilt attraktiva för användning på avlägsna platser där elektrisk ström inte är tillgänglig och underhåll är svårt att tillhandahålla. En vanlig flerbladig vindpump pumpar användbart med cirka 4% –8% av den årliga vindkraften som passerar genom det område den sveper. Denna lägre omvandling beror på dålig belastningsmatchning mellan vindrotorer och kolvar med fast slagkolv.
Grundläggande problem med flerbladiga vindpumpar
Ineffektiv rotor
Den huvudsakliga konstruktionsegenskapen hos en flerbladig rotor är "högt startmoment", vilket är nödvändigt för att vrida en kolvpumpdrift. En gång startade en rotor med flera blad med ett för högt tipphastighetsförhållande till mindre än den bästa verkningsgraden på 30%. Å andra sidan kan moderna vindrotorer arbeta med en aerodynamisk effektivitet på mer än 40% vid högre tipphastighetsförhållande för en mindre virvel som läggs till och slösas bort i vinden. Men de skulle behöva en mycket variabel slagmekanism snarare än bara en vev till kolvpump.
Dålig lastmatchning
En väderkvarn med flera blad är en mekanisk anordning med en kolvpump. Eftersom en kolvpump har ett fast slag, är energibehovet för denna typ av pump endast proportionellt mot pumpens varvtal. Å andra sidan är energitillförseln i en vindrotor proportionell mot vindhastighetens kub. På grund av det kör en vindrotor med över hastighet (mer hastighet än vad som behövs), vilket ger en förlust av aerodynamisk effektivitet.
Ett variabelt slag skulle matcha rotorhastigheten enligt vindhastigheten och fungera som en "generator med variabel hastighet". Flödeshastigheten för vindpump med variabelt slag kan ökas två gånger, jämfört med fasta slagpumpar vid samma vindhastighet.
Cyklisk vridmomentvariation
En kolvpump har en mycket lätt sugfas, men uppslaget är tungt och sätter en stor backtorque på en startrotor när veven är horisontell och stigande. En motvikt på veven uppe i tornet och gäspande med vindriktningen kan åtminstone sprida vridmomentet till vevsteget.
Utveckling av förbättrade vindpumpar
Även om flerbladiga vindpumpar är baserade på beprövad teknik och används i stor utsträckning, har de de grundläggande problemen som nämns ovan och behöver en praktisk variabel slagmekanism.
USDA -experiment i Texas
Mellan 1988 och 1990 testades en vindpump med variabelt slag vid USDA-Agriculture Research Center-Texas, baserat på två patenterade mönster (Don E. Avery Patent #4.392.785, 1983 och Elmo G. Harris Patent #617.877, 1899). Styrsystemen för vindpumparna med variabelt slag var mekaniska och hydrauliska; dessa experiment lockade dock inte någon vindpumpstillverkares uppmärksamhet. Efter experiment med denna vindpump med variabelt slag fokuserade forskningen på vindelektriska vattenpumpsystem; ingen kommersiell variabel slagpump finns ännu.
Fladdrande vindpumpar
Fladdrande vindpumpar har utvecklats i Kanada med ett pumpslag som varierar starkt med amplituden för att absorbera all variabel effekt i vinden och för att stoppa uniblade från att svänga för långt bortom horisontellt från sitt vertikala medelläge. De är mycket lättare och använder mindre material än flerblade vindpumpar och kan pumpa effektivt i lättare vindregimer.
Variabel slagpump
En turkisk ingenjör omdesignade vindpumpstekniken med variabelt slag med hjälp av modern elektronisk styrutrustning. Forskning började 2004 med statligt FoU -stöd. De första kommersiella nya generationens vindpumpar med variabelt slag har designats efter tio års FoU. 30 kW vindpump med variabelt slag inkluderar en modern vindrotor av Darrieus-typ, motvikt och regenerativ bromsteknik.
Vindpump för vertikal axel (VAWP)
Med hjälp av ett vindturbin med vertikal axel kan omdirigeringen av turbinmomentet från horisontell till vertikal axel lösas, vilket skapar en grundläggande axelanslutning mellan turbinen och pumpen. Den direkta anslutningen kan ge en mer effektiv vindpump. till exempel kan en kombination av VAWP-systemet med ett högtrycks (HP-VAWP) droppbevattningssystem, med korrekt optimering, leda till två till tre gånger högre effektivitet än traditionella vindpumpar.
Kombinationer
Tjasker
I Nederländerna är tjasker en dräneringskvarn med vanliga segel anslutna till en arkimedisk skruv . Detta används för pumpning av vatten i områden där endast en liten hiss krävs. Vindaxeln sitter på ett stativ som låter den svänga. Den arkimediska skruven lyfter vatten i en uppsamlingsring, där det dras ut i ett dike på en högre nivå och dränerar därmed marken.
Thailändska vindpumpar
I Thailand är vindpumpar traditionellt byggda på kinesiska vindpumpdesigner. Dessa pumpar är konstruerade av trådbaserade bambustänger som bär tyg eller bambu-mattsegel; en paddelpump eller vattenladderpump är fixerad till en thailändsk rotor. De används huvudsakligen i saltpannor där vattenlyften som krävs normalt är mindre än en meter.
Se även
- Tjasker på nederländska Wikipedia
- Vindturbin
- Bladets fasthet
- Spolpump , en annan pump som ofta används
- Loeriesfontein, Northern Cape , där det finns ett museum dedikerat till vattenpumpande väderkvarnar
- Aermotor Windmill Company , en amerikansk vindpumpstillverkare