Wydajność turbiny wiatrowej: 11 kompletnych szybkich faktów

Turbina wiatrowa produkcja energii to rozwijająca się dziedzina wytwarzania energii elektrycznej; w 2020 r. łączna moc wiatrowa na świecie wynosi 743 GW. Ponieważ elektrownie wiatrowe wytwarzają mniej zanieczyszczeń, rośnie zapotrzebowanie na energię wiatrową.

Sprawność turbiny wiatrowej zależy od wielu czynników, takich jak typ turbiny, geometria łopat, dostępna prędkość wiatru itp. 59% to maksymalna sprawność, jaką może osiągnąć turbina wiatrowa. Praktyczna sprawność turbiny wiatrowej waha się między 30 -45%, a podczas szczytowego wiatru może wzrosnąć do 50%.

Jeżeli turbina pracuje ze 100% sprawnością, prędkość wiatru po uderzeniu w turbinę spada do zera, co jest niemożliwe.  

Wzór na sprawność turbiny wiatrowej

Niezbędne jest obliczenie wydajności; wydajność pomaga porównać wydajność różnych turbin wiatrowych i optymalną prędkość wiatru w celu uzyskania maksymalnej wydajności.

Współczynnik mocy to bardziej popularne słowo określające sprawność turbiny wiatrowej. Cp definiuje się jako,

Ilość energii elektrycznej wytwarzanej przez turbinę wiatrową można obliczyć na podstawie mocy generatora. Poniższe równanie oblicza wejściową energię kinetyczną,

Gdzie,

A to obszar pokrycia turbiny wiatrowej, V to prędkość wiatru, ρ to gęstość powietrza.

Wartość Cp zmienia się w zależności od prędkości wiatru; stąd wydajność turbiny wiatrowej zmienia się podczas pracy.

Ponadto Cp zależy od części turbiny, tj. łopatek turbiny, wałów i generatora. Zatem pomnożenie sprawności aerodynamicznej łopat, sprawności mechanicznej wału i sprawności elektrycznej generatora daje wartość Cp.

Maksymalna wydajność turbiny wiatrowej

Maksymalną możliwą wydajność turbiny wiatrowej proponuje Albert Betz, niemiecki fizyk, w 1919 roku. wgląd w maksymalną możliwą wydajność turbiny.

Limit Betza pokazuje, że 59.3% to maksymalna możliwa sprawność turbiny wiatrowej. Stąd sprawność turbiny nigdy nie przekracza 59%, łącznie ze wszystkimi innymi stratami w praktycznych przypadkach dochodzi do 35-45%.  

Załóżmy, że sprawność turbiny wiatrowej wynosi 100%, co oznacza, że ​​turbina zużywa całą energię powietrza. Jeśli tak się stanie, prędkość powietrza po przejściu przez turbinę staje się zerowa. Oznacza to, że powietrze nie płynie, co utrudnia dalszy przepływ powietrza. Jest to więc sytuacja niemożliwa.

Teraz, jeśli prędkość powietrza wlotowego i wylotowego jest taka sama, oznacza to, że energia nie jest pobierana, co daje 0% sprawność turbiny. Stąd maksymalna możliwa sprawność turbiny wynosi od 0 do 100%, wyłączając te limity.

Betz udowodnił, że maksymalna możliwa sprawność wynosi 59.3% dla turbiny wiatrowej z matematyką i fizyką ciała stałego.

Rodzaje turbin wiatrowych i ich sprawności

Różnorodne turbiny wiatrowe są dostępne zgodnie z osią obrotu i konstrukcją łopat. Najczęściej stosowaną turbiną wiatrową jest turbina wiatrowa o osi poziomej. Jednak w odpowiednich warunkach stosuje się również inne rodzaje turbin. Różne typy turbin to:

Omówmy sprawność tych turbin osobno,

Wydajność turbiny wiatrowej o osi poziomej (HAWT)

Turbiny wiatrowe o osi poziomej są powszechnie stosowane w dużych zakładach, gdzie dostępna jest wystarczająca ilość miejsca i wiatru. Oś obrotu łopatki turbiny jest równoległa do powierzchni ziemi.

Wydajność HAWT waha się między 35-50%. Obecnie HAWT ma najwyższą wydajność.

Przechwycona energia wiatru przez turbinę wiatrową zależy od obszaru objętego łopatami turbiny. W przypadku HAWT obszar oblicza się w następujący sposób:

A = πL²

Gdzie L to długość ostrza. Długość waha się od 20 do 80 metrów.

Zazwyczaj te turbiny wiatrowe są wykorzystywane w dużych zakładach produkcyjnych. Najpopularniejsza pozioma turbina wiatrowa ma 3 łopaty, a kolor turbin jest zwykle biały dla widoczności przez samoloty.

Wydajność turbiny wiatrowej o osi pionowej (VAWT)

Turbiny wiatrowe o pionowej osi są powszechnie używane do małej produkcji energii, gdzie przestrzeń jest ograniczona. Oś obrotu łopat turbin wiatrowych o osi pionowej jest prostopadła do powierzchni Ziemi.

Wydajność VAWT jest mniejsza w porównaniu do HAWT. 

Jak wspomniano, sprawność zależy od powierzchni łopat turbiny wystawionej na działanie wiatru. W przypadku VAWT eksponowany obszar to:

A = DH

Gdzie D i H to średnica i wysokość ostrzy.

Dostępne są różne rodzaje VAWT. Turbina wiatrowa Darrius i turbina wiatrowa Savonius to wspólne VAWT. Efektywność tych dwóch omówiono poniżej.

Wydajność turbiny wiatrowej Darrius

Turbina wiatrowa Darrius to VAWT.

Sprawność turbiny wiatrowej Darrius wynosi 30-40%. Wykorzystanie tych turbin jest ograniczone, mimo że mają one wysoką sprawność głównie ze względu na niemożność samoczynnego rozruchu.

Turbina Darriusa to turbina oparta na wyciągu. Rysunek przedstawia turbinę wiatrową Darriusa. Jak pokazano poniżej, wiele łopatek jest zamontowanych na pionowym wale, który się obraca. Łopatki są obciążone tylko naprężeniem w tych turbinach ze względu na krzywiznę. Projekt opracował francuski inżynier Georges Jean Marie Darrieus. Są one powszechnie używane w pobliżu siedlisk ludzkich, na szczycie budynku lub na środku drogi. Jednak ochrona turbiny jest trudna w ekstremalnych warunkach.

Sprawność turbiny wiatrowej Savonius

Turbina wiatrowa Savonius to inny typ VAWT. Niestety sprawność tych turbin jest bardzo niska.

Sprawność turbiny wiatrowej Savonius waha się między 10-17%. Mimo, że sprawność jest bardzo niska, to ze względu na prostą konstrukcję i niezawodność turbiny są one wykorzystywane do produkcji niewielkiej ilości energii elektrycznej w odpowiednich lokalizacjach.  

Turbina Savonius jest turbiną opartą na hamulcu. Rysunek przedstawia rzeczywistą turbinę wiatrową Savonius. Widok z góry ostrza jest również pokazany na poniższym rysunku.

Fiński inżynier Sigurd Johannes Savonius opracował wiatr Savonius w 1922 roku. Istnieją dwa rodzaje konstrukcji łopat turbiny wiatrowej Savonius: konstrukcja beczki i konstrukcja wiatru lodowego. Powyżej pokazano turbinę wiatrową z widokiem z góry. Ostrza są półcylindryczne; beczki nie spotykają się pośrodku; są odsunięte od środka, co umożliwia swobodny ruch wiatru w lemiesz.

Bezłopatkowa turbina wiatrowa efektywność

Bezłopatkowe turbiny wiatrowe są szczególnym rodzajem turbin wiatrowych, turbiny te nie mają obrotowych łopatek, a turbina działa w oparciu o wibracje wywołane wirami.

Sprawność bezłopatkowej turbiny wiatrowej jest bardzo mniejsza w porównaniu z jakąkolwiek inną turbiną wiatrową. Jednak lekkość, opłacalność i mniej konserwacji to zalety bezłopatkowej turbiny wiatrowej. Ponadto turbina wymaga mniej miejsca; w związku z tym można zainstalować więcej turbin niż zwykła turbina wiatrowa.

Sprawność turbiny wiatrowej Archimedes

Turbina wiatrowa Archimedes to niedawno opracowana technologia. Są to małe konstrukcje i mogą być używane na dachach, drogach itp.

W porównaniu do konwencjonalnych turbin wiatrowych, turbiny Archimedes są bardziej wydajne. Ponadto turbina zmniejsza wiele innych problemów związanych z turbinami konwencjonalnymi. 

Na przykład hałas wytwarzany przez turbiny wiatrowe Archimedes jest znacznie mniejszy w porównaniu z turbiną konwencjonalną. Kształt turbiny jest podobny do spirali muszli Nautilusa. Ten kształt umożliwia turbinie samoczynną regulację czoła turbiny w zależności od przepływu wiatru. 

Czynniki wpływające na wydajność turbin wiatrowych

Sprawność turbin wiatrowych omówiono już powyżej, stąd czynniki wpływające na sprawność turbin to:

• Prędkość wiatru.
• Gęstość powietrza.
• Promień ostrza.
• Rodzaj turbiny wiatrowej

Porównanie wydajności turbin wiatrowych

Zakończmy tutaj sprawność turbiny wiatrowej. Wydajność turbiny wiatrowej jest zestawiona poniżej.

Aby uzyskać więcej postów na temat inżynierii mechanicznej, śledź nasze Strona mechaniczna