Tutoriale de energie alternativă
Proiectarea turbinelor eoliene pentru energie eoliană
În centrul oricărui sistem de generare a energiei eoliene regenerabile se află turbina eoliană. Proiectele turbinelor eoliene cuprind, în general, un rotor, un generator de curent continuu (DC) sau un alternator de curent alternativ (AC), care este montat pe un turn la o înălțime mare deasupra solului.
Cum sunt proiectate turbinele eoliene pentru a produce energie electrică?. În termenii cei mai simpli, o turbină eoliană este opusul unui ventilator de casă sau de birou. Ventilatorul folosește electricitatea de la rețeaua electrică pentru a se roti și a face să circule aerul, producând vânt. Pe de altă parte, turbinele eoliene folosesc forța vântului pentru a genera electricitate. Mișcarea vântului învârte sau rotește paletele turbinei, care captează energia cinetică a vântului și convertește această energie într-o mișcare de rotație prin intermediul unui arbore pentru a acționa un generator și a produce electricitate, așa cum se arată.
Proiectare tipică a unui generator de turbină eoliană
Imaginea de mai sus arată componentele de bază care intră în alcătuirea unei proiectări tipice de turbină eoliană. O turbină eoliană extrage energia cinetică din vânt prin încetinirea vântului și prin transferul acestei energii în arborele care se învârte, astfel încât este important să aibă un design bun. Puterea disponibilă din vânt care poate fi recoltată depinde atât de viteza vântului, cât și de suprafața care este măturată de paletele rotative ale turbinei. Astfel, cu cât viteza vântului este mai mare sau cu cât paletele rotorului sunt mai mari, cu atât mai multă energie poate fi extrasă din vânt. Așadar, putem spune că producția de energie din turbinele eoliene depinde de interacțiunea dintre paletele rotorului și vânt, iar această interacțiune este importantă pentru proiectarea unei turbine eoliene.
Pentru a ajuta la îmbunătățirea acestei interacțiuni și, prin urmare, la creșterea eficienței, sunt disponibile două tipuri de proiectare a turbinelor eoliene. Proiectarea comună cu axă orizontală și cea cu axă verticală. Proiectul de turbină eoliană cu axă orizontală captează mai mult vânt, astfel încât puterea de ieșire este mai mare decât cea a unui proiect de turbină eoliană cu axă verticală. Dezavantajul designului cu ax orizontal este că turnul necesar pentru a susține turbina eoliană este mult mai mare, iar designul paletelor rotorului trebuie să fie mult mai bun.
Turbina cu ax vertical sau VAWT, este mai ușor de proiectat și întreținut, dar oferă performanțe mai scăzute decât tipurile cu ax orizontal din cauza rezistenței ridicate a designului simplu al paletelor rotorului său. Majoritatea turbinelor eoliene care generează electricitate în prezent, fie la nivel comercial, fie la nivel național, sunt mașini cu axă orizontală, astfel că aceste tipuri de proiectare a turbinelor eoliene sunt cele pe care le vom analiza în acest tutorial despre turbine eoliene.
– Rotorul – Aceasta este partea principală a unei turbine eoliene moderne care colectează energia vântului și o transformă în putere mecanică sub formă de rotație. Rotorul este format din două sau mai multe „pale de rotor” din lemn stratificat, fibră de sticlă sau metal și un butuc de protecție care se rotește (de unde și numele său) în jurul unei axe centrale.
La fel ca o aripă de avion, palele turbinei eoliene funcționează prin generarea de portanță datorită formei lor curbe. Palele rotorului extrag o parte din energia cinetică din masele de aer în mișcare, conform principiului portanței, la o rată determinată de viteza vântului și de forma paletelor. Rezultatul net este o forță de ridicare perpendiculară pe direcția de curgere a aerului. Apoi, șmecheria este de a proiecta paleta rotorului pentru a crea cantitatea potrivită de forță de ridicare și de împingere a paletei rotorului care să producă o decelerație optimă a aerului și nu mai mult.
Din păcate, paletele rotorului turbinelor nu captează 100% din puterea vântului, deoarece dacă ar face acest lucru ar însemna că aerul din spatele paletelor turbinei ar fi complet nemișcat și, prin urmare, nu ar mai permite vântului să treacă prin palete. Eficiența maximă teoretică pe care paletele rotorului turbinei o pot extrage din energia eoliană se situează între 30 și 45%, în funcție de următoarele variabile ale paletei rotorului: Proiectarea paletelor, numărul de palete, lungimea paletelor, înclinarea/unghiul paletelor, forma paletelor, precum și materialele și greutatea paletelor, pentru a numi doar câteva.
– Proiectarea paletelor – Proiectarea paletelor de rotor funcționează fie pe principiul metodei portanței, fie pe cel al rezistenței pentru extragerea energiei din masele de aer care curg. Proiectarea paletei de portanță utilizează același principiu care permite avioanelor, zmeilor și păsărilor să zboare, producând o forță de ridicare care este perpendiculară pe direcția de mișcare. Paleta rotorului este, în esență, un aerofil sau o aripă cu o formă similară cu cea a unei aripi de avion. Pe măsură ce paleta taie aerul, se creează o diferență de viteză a vântului și de presiune între suprafețele superioară și inferioară ale paletei.
Presiunea la suprafața inferioară este mai mare și astfel acționează pentru a „ridica” paleta în sus, așa că dorim ca această forță să fie cât mai mare posibil. Atunci când paletele sunt atașate la o axă centrală de rotație, cum ar fi un rotor de turbină eoliană, această ridicare este transpusă într-o mișcare de rotație.
În opoziție cu această forță de ridicare se află o forță de rezistență care este paralelă cu direcția de mișcare și care provoacă turbulențe în jurul marginii de fugă a paletei în timp ce aceasta taie aerul. Această turbulență are un efect de frânare asupra palei, astfel încât dorim ca această forță de rezistență să fie cât mai mică posibil. Combinația dintre portanță și rezistență face ca rotorul să se învârtă ca o elice.
Proiecțiile de rezistență sunt utilizate mai mult pentru proiectele de turbine eoliene verticale care au palete mari în formă de cupă sau curbe. Vântul împinge literalmente din drum palele care sunt atașate la un arbore central. Avantajele paletelor rotoarelor proiectate prin tragere sunt vitezele de rotație mai mici și capacitățile de cuplu mare, ceea ce le face utile pentru pomparea apei și pentru alimentarea mașinilor agricole. Turbinele eoliene acționate prin portanță au o viteză de rotație mult mai mare decât cele de tip „drag” și, prin urmare, sunt potrivite pentru producerea de energie electrică.
– Numărul de pale – Numărul de pale ale rotorului pe care îl are un proiect de turbină eoliană este, în general, determinat de eficiența aerodinamică și de costuri. Turbina eoliană ideală ar avea multe pale de rotor subțiri, dar majoritatea generatoarelor eoliene cu axă orizontală au doar una, două sau trei pale de rotor. Creșterea numărului de palete ale rotorului peste trei oferă doar o creștere mică a eficienței rotorului, dar crește costul acestuia, astfel încât, de obicei, nu sunt necesare mai mult de trei palete, dar sunt disponibile mici generatoare de turbine cu mai multe palete cu rotație mare pentru uz casnic. În general, cu cât numărul de palete este mai mic, cu atât este nevoie de mai puțin material în timpul fabricării, ceea ce reduce costul total și complexitatea acestora.
Rotoarele cu o singură paletă au o greutate de contrabalansare pe partea opusă a rotorului, dar suferă de o solicitare ridicată a materialului și de vibrații din cauza mișcării de rotație neuniforme a paletei unice, care trebuie să se deplaseze mai rapid pentru a capta aceeași cantitate de energie eoliană. De asemenea, în cazul rotoarelor cu o singură pală sau chiar cu palete duble, cea mai mare parte a mișcării aerului disponibil și, prin urmare, a energiei eoliene, trece prin suprafața transversală nebătută a turbinei fără a interacționa cu rotorul, ceea ce scade eficiența acestora.
Pe de altă parte, rotoarele cu palete multiple au o funcționare mai lină a rotației și niveluri de zgomot mai scăzute. Vitezele de rotație și cuplul mai mici sunt posibile în cazul modelelor cu palete multiple, ceea ce reduce tensiunile din trenul de acționare, ceea ce duce la costuri mai mici pentru cutia de viteze și generator. Cu toate acestea, proiectele de turbine eoliene cu multe palete sau cu palete foarte late vor fi supuse unor forțe foarte mari în cazul unor vânturi foarte puternice, motiv pentru care majoritatea proiectelor de turbine eoliene utilizează trei palete de rotor.
– Un număr impar sau par de palete de rotor? – Un proiect de turbină eoliană care are un număr „PAR” de pale de rotor, 2, 4 sau 6, etc., poate suferi de probleme de stabilitate în timpul rotirii. Acest lucru se datorează faptului că fiecare paletă de rotor are o paletă exactă și opusă care este situată la 180o în direcția opusă. Pe măsură ce rotorul se rotește, chiar în momentul în care lama cea mai înaltă este îndreptată vertical în sus (poziția de la ora 12), lama cea mai joasă este îndreptată direct în jos, în fața turnului de susținere a turbinei. Rezultatul este că lama cea mai de sus se îndoaie în spate, deoarece primește forța maximă din partea vântului, numită „sarcină de împingere”, în timp ce lama inferioară trece în zona liberă de vânt direct în fața turnului de susținere.
Această îndoire neuniformă a paletelor rotorului turbinei (cea mai de sus îndoită în vânt și cea mai de jos dreaptă) la fiecare aliniere verticală produce forțe nedorite asupra paletelor rotorului și arborelui rotorului, deoarece cele două pale se îndoaie înainte și înapoi în timp ce se rotesc. Pentru o turbină mică cu palete rigide din aluminiu sau oțel, acest lucru poate să nu reprezinte o problemă, spre deosebire de paletele mai lungi din plastic armat cu fibră de sticlă.
Un proiect de turbină eoliană care are un număr „ODD” de palete de rotor (cel puțin trei palete) se rotește mai lin, deoarece forțele giroscopice și de flexie sunt mai uniform echilibrate între palete, ceea ce crește stabilitatea turbinei. Cel mai comun proiect de turbină eoliană cu palete impare este cel al turbinei cu trei palete. Eficiența energetică a unui rotor cu trei palete este ușor peste cea a unui rotor cu două palete de dimensiuni similare și, datorită paletei suplimentare, acestea se pot roti mai încet, reducând uzura și zgomotul.
De asemenea, pentru a evita turbulențele și interacțiunea dintre paletele alăturate, distanța dintre fiecare paletă a unui proiect cu mai multe palete și viteza de rotație a acesteia trebuie să fie suficient de mare pentru ca o paletă să nu întâlnească fluxul de aer perturbat, mai slab, cauzat de trecerea paletei anterioare prin același punct chiar înaintea ei. Din cauza acestei limitări, majoritatea turbinelor eoliene de tip impar au maximum trei pale pe rotoarele lor și, în general, se rotesc la viteze mai mici.
În general, rotoarele turbinelor cu trei pale se integrează mai bine în peisaj, sunt mai atrăgătoare din punct de vedere estetic și sunt mai eficiente din punct de vedere aerodinamic decât modelele cu două pale, ceea ce contribuie la faptul că turbinele eoliene cu trei pale sunt mai mult dominate pe piața producției de energie eoliană. Deși anumiți producători produc turbine cu două și șase pale (pentru bărci cu vele). Alte avantaje ale rotoarelor impare (cu trei pale) includ o funcționare mai lină, mai puțin zgomot și mai puține lovituri de păsări, ceea ce compensează dezavantajul costurilor mai mari ale materialelor. Nivelul de zgomot nu este afectat în mod semnificativ de numărul de palete.
– Lungimea palei rotorului – Trei factori determină câtă energie cinetică poate fi extrasă din vânt de către o turbină eoliană: „densitatea aerului”, „viteza vântului” și „suprafața rotorului”. Densitatea aerului depinde de cât de mult vă aflați deasupra nivelului mării, în timp ce viteza vântului este controlată de condițiile meteorologice. Cu toate acestea, putem controla aria de rotație măturată de paletele rotorului prin creșterea lungimii acestora, deoarece dimensiunea rotorului determină cantitatea de energie cinetică pe care o turbină eoliană este capabilă să o capteze din vânt.
Palele rotorului se rotesc în jurul unui rulment central, formând un cerc perfect de 360o în timp ce se rotește și, după cum știm de la școală, aria unui cerc este dată de relația:
: π.r2. Așadar, pe măsură ce suprafața măturată a rotorului crește, suprafața pe care o acoperă crește, de asemenea, cu pătratul razei. Astfel, dublarea lungimii paletelor unei turbine duce la o creștere de patru ori a ariei acesteia, ceea ce îi permite să primească de patru ori mai multă energie eoliană. Cu toate acestea, acest lucru crește foarte mult dimensiunea, greutatea și, în cele din urmă, costul de proiectare a turbinei eoliene.
Un aspect important al lungimii paletelor este viteza de rotație a vârfului rotorului care rezultă din viteza unghiulară. Cu cât lungimea paletei turbinei este mai mare, cu atât mai rapidă este rotația vârfului pentru o anumită viteză a vântului. În mod similar, pentru o anumită lungime a palei rotorului, cu cât viteza vântului este mai mare, cu atât mai rapidă este rotația. Așadar, de ce nu putem avea un proiect de turbină eoliană cu palete de rotor foarte lungi care să funcționeze într-un mediu cu vânt puternic și să producă multă energie electrică gratuită din vânt. Răspunsul este că există un punct în care lungimea palelor rotorului și viteza vântului reduc de fapt eficiența turbinei. Acesta este motivul pentru care multe modele de turbine eoliene mai mari se rotesc la viteze mult mai mici.
Eficiența este o funcție a vitezei cu care se rotește vârful rotorului pentru o anumită viteză a vântului, producând un raport constant între viteza vântului și vârful rotorului, numit „raport de viteză de vârf” ( λ ), care este o unitate adimensională utilizată pentru a maximiza eficiența rotorului. Cu alte cuvinte, „raportul de viteză de vârf” (TSR) este raportul dintre viteza vârfului palei rotative în rpm și viteza vântului în mph, iar o bună proiectare a turbinei eoliene va determina puterea rotorului pentru orice combinație de vânt și viteză a rotorului. Cu cât acest raport este mai mare, cu atât mai rapidă este rotația rotorului turbinei eoliene la o anumită viteză a vântului. Viteza de rotație a arborelui la care este fixat rotorul este dată în rotații pe minut (rpm) și depinde de viteza de vârf și de diametrul paletelor turbinei.
Viteza de rotație a unei turbine se definește astfel: rpm = viteza vântului x raportul vitezei de vârf x 60 / (diametru x π).
Dacă rotorul unei turbine se rotește prea încet, lasă prea mult vânt să treacă nestingherit și, astfel, nu extrage atât de multă energie pe cât ar putea. Pe de altă parte, dacă paleta rotorului se rotește prea repede, aceasta apare în fața vântului ca un disc circular mare și plat care se rotește, ceea ce creează cantități mari de rezistență și pierderi la vârf care încetinesc rotorul. Prin urmare, este important să se adapteze viteza de rotație a rotorului turbinei la o anumită viteză a vântului, astfel încât să se obțină o eficiență optimă.
Rotoarele turbinei cu mai puține pale ating eficiența maximă la un raport mai mare al vitezei de vârf și, în general, modelele de turbine eoliene cu trei pale pentru producerea de energie electrică au un raport al vitezei de vârf cuprins între 6 și 8, dar vor funcționa mai ușor, deoarece au trei pale. Pe de altă parte, turbinele utilizate pentru aplicații de pompare a apei au un raport de viteză la vârf mai mic, cuprins între 1,5 și 2, deoarece sunt proiectate special pentru generarea unui cuplu mare la viteze mici.
– Înclinarea/unghiul paletei rotorului – paletele rotorului turbinei eoliene de proiectare fixă nu sunt, în general, drepte sau plate, precum aripile de avion, ci au în schimb o mică răsucire și o conicitate de-a lungul lungimii lor, de la vârf până la rădăcină, pentru a permite diferite viteze de rotație de-a lungul paletei. Această răsucire permite paletei să absoarbă energia vântului atunci când vântul vine spre ea din diferite unghiuri tangențiale și nu doar direct. O pală de rotor dreaptă sau plană va înceta să mai dea portanță și chiar se poate opri (se poate bloca), dacă paleta rotorului este lovită de vânt în unghiuri diferite, numite „unghi de atac”, în special dacă acest unghi de atac este prea abrupt.
De aceea, pentru a menține paleta rotorului la un unghi optim de atac care să crească portanța și eficiența, palele de proiectare a turbinelor eoliene sunt, în general, răsucite pe întreaga lungime a palei. În plus, această răsucire în proiectarea turbinelor eoliene împiedică paletele rotorului să se învârtă prea repede la viteze mari ale vântului.
Cu toate acestea, pentru proiectele de turbine eoliene de dimensiuni foarte mari utilizate pentru producerea de energie electrică, această răsucire a paletelor poate face construcția lor foarte complicată și costisitoare, astfel încât se utilizează o altă formă de control aerodinamic pentru a menține unghiul de atac al paletelor perfect aliniat cu direcția vântului.
Puterea aerodinamică produsă de turbina eoliană poate fi controlată prin reglarea unghiului de pas al turbinei eoliene în raport cu unghiul de atac al vântului, pe măsură ce fiecare paletă este rotită în jurul axei sale longitudinale. Apoi, paletele rotorului cu control al pasului pot fi mai plate și mai drepte, dar, în general, aceste pale mari au o răsucire similară în geometria lor, dar mult mai mică, pentru a optimiza încărcarea tangențială a paletei rotorului.
Care pală a rotorului are un mecanism de răsucire prin rotație, fie pasiv, fie dinamic, încorporat în rădăcina paletei, care produce un control incremental uniform al pasului de-a lungul lungimii sale (răsucire constantă). Cantitatea de pas necesară este de numai câteva grade, deoarece modificările mici ale unghiului de pas pot avea un efect dramatic asupra producției de energie, deoarece știm din tutorialul anterior că energia conținută în vânt este proporțională cu cubul vitezei vântului.
Unul dintre avantajele majore ale controlului pasului palei rotorului este creșterea ferestrei de viteză a vântului. Un unghi de pas pozitiv produce un cuplu de pornire mare pe măsură ce rotorul începe să se rotească scăzând viteza vântului de pornire. De asemenea, la viteze mari ale vântului, atunci când se atinge limita maximă de viteză a rotorului, pasul poate fi controlat pentru a împiedica depășirea limitei de turație a rotorului prin reducerea randamentului și a unghiului de atac al acestuia.
Reglarea puterii unei turbine eoliene poate fi realizată prin utilizarea controlului pasului pe paletele rotorului, fie pentru a reduce, fie pentru a crește forța de ridicare a paletelor prin controlul unghiului de atac. Palele mai mici ale rotorului realizează acest lucru prin încorporarea unei mici răsuciri în designul lor. Turbinele eoliene comerciale mai mari folosesc controlul pasului fie pasiv, cu ajutorul unor arcuri și pârghii centrifuge (similar rotoarelor de elicopter), fie activ, cu ajutorul unor mici motoare electrice încorporate în butucul palelor pentru a le roti cu câteva grade necesare. Principalele dezavantaje ale controlului pasului sunt fiabilitatea și costul.
– Construcția paletelor – energia cinetică extrasă din vânt este influențată de geometria paletelor rotorului și este important să se determine forma și designul optim din punct de vedere aerodinamic al paletelor. Dar, pe lângă proiectarea aerodinamică a palei rotorului, proiectarea structurală este la fel de importantă. Proiectarea structurală constă în selectarea materialului palei și a rezistenței, deoarece palele se flexează și se îndoaie din cauza energiei vântului în timp ce se rotesc.
Evident, materialul de construcție ideal pentru o pală de rotor ar trebui să combine proprietățile structurale necesare de rezistență ridicată în raport cu greutatea, durată de viață ridicată la oboseală, rigiditate, frecvența sa naturală de vibrație și rezistență la oboseală, împreună cu un cost redus și capacitatea de a fi ușor de modelat în forma dorită de aripă.
Palele rotorului turbinelor mai mici utilizate în aplicațiile rezidențiale, care au dimensiuni de la 100 de wați în sus, sunt, în general, realizate din lemn masiv sculptat, lemn stratificat sau materiale compozite din lemn furniruit, precum și din aluminiu sau oțel. Palele de rotor din lemn sunt rezistente, ușoare, ieftine, flexibile și populare în cazul celor mai multe proiecte de turbine eoliene de tip „do-it-yourself”, deoarece pot fi fabricate cu ușurință. Cu toate acestea, rezistența scăzută a laminatelor din lemn în comparație cu alte materiale lemnoase le face nepotrivite pentru palele cu modele subțiri care funcționează la viteze mari ale vârfurilor.
Palele din aluminiu sunt, de asemenea, ușoare, rezistente și ușor de prelucrat, dar sunt mai scumpe, ușor de îndoit și suferă de oboseala metalului. De asemenea, paletele din oțel utilizează cel mai ieftin material și pot fi formate și modelate în panouri curbe care să urmeze profilul profilului aerodinamic necesar. Cu toate acestea, este mult mai greu de introdus o răsucire în panourile de oțel și, împreună cu proprietățile slabe de oboseală, ceea ce înseamnă că ruginește, înseamnă că oțelul este rar utilizat.
Palele rotorului utilizate pentru proiectarea turbinelor eoliene cu axă orizontală de dimensiuni foarte mari sunt realizate din materiale compozite din plastic armat, cele mai comune materiale compozite fiind cele din fibră de sticlă/rezină de poliester, fibră de sticlă/epoxidică, fibră de sticlă/poliester și materiale compozite din fibră de carbon. Materialele compozite din fibră de sticlă și fibră de carbon au un raport rezistență la compresiune/ponderalitate substanțial mai mare în comparație cu celelalte materiale. De asemenea, fibra de sticlă este ușoară, rezistentă, ieftină, are caracteristici bune de oboseală și poate fi utilizată într-o varietate de procese de fabricație.
Dimensiunea, tipul și construcția turbinei eoliene de care ați putea avea nevoie depind de aplicația dvs. particulară și de cerințele de putere. Proiectele de turbine eoliene mici au dimensiuni cuprinse între 20 de wați și 50 de kilowați (kW), turbinele mai mici sau „micro” (20 până la 500 de wați) fiind utilizate în locații rezidențiale pentru o varietate de aplicații, cum ar fi generarea de energie electrică pentru încărcarea bateriilor și alimentarea luminilor.
Energia eoliană se numără printre sursele de energie regenerabilă cu cea mai rapidă creștere din lume, deoarece este o resursă de energie curată, distribuită pe scară largă, care este abundentă, are un cost zero al combustibilului, tehnologie de generare a energiei fără emisii. Majoritatea generatoarelor moderne de turbine eoliene disponibile în prezent sunt concepute pentru a fi instalate și utilizate în instalații de tip rezidențial.
Ca urmare, acestea sunt fabricate mai mici și mai ușoare, ceea ce le permite să fie montate rapid și ușor direct pe un acoperiș sau pe un stâlp sau turn scurt. Instalarea unui generator cu turbină mai nou ca parte a sistemului dvs. de energie eoliană la domiciliu vă va permite să reduceți majoritatea costurilor mai mari de întreținere și instalare a unui turn de turbină mai înalt și mai scump, așa cum ați fi făcut-o în trecut.
În următorul tutorial despre energia eoliană, vom analiza funcționarea și proiectarea generatoarelor cu turbină eoliană utilizate pentru generarea de energie electrică ca parte a unui sistem de generare a energiei eoliene la domiciliu.
.