Principio di progettazione del rotore per turbine eoliche ad asse orizzontale
INTRODUZIONE
Gli uomini hanno usato il fuoco come primo tipo di energia, tranne il cibo. Gli uomini vivevano solo con il cibo fino all’uso del fuoco. Inoltre, gli uomini si separavano con l’uso del fuoco dagli altri vivi. In seguito si usava la legna per bruciare il fuoco e non si spegneva. Hanno dovuto dividere il lavoro con la vita sociale. Perciò gli uomini usavano un nuovo tipo di energia. Il nuovo tipo di energia era un altro uomo. A causa della vita nomade dovevano spostarsi da un luogo all’altro. Il risultato della vita nomade era l’utilizzo di animali per il trasporto. Un altro tipo di energia usato dagli uomini è l’energia idrica. Questo era stato usato con la fine della vita nomade dagli uomini. E gli uomini hanno usato il vento per le barche a vela e nel 12° secolo (D.C.) con i mulini a vento. Dopo il 16. Secolo aumentato in particolare il consumo di energia a causa della produzione di carbone. Il petrolio è stato usato nel 19. secolo. L’età dell’industria è iniziata con il petrolio e il grande comune umano interessato. In seguito gli uomini hanno scoperto l’energia nucleare (Inan, 1995).
Alla fine del 20° secolo sono iniziati i problemi con l’ambiente. E questo ci ha portato alle energie pulite e rinnovabili. Queste energie pulite e rinnovabili sono il sole, la geotermia, la biomassa, l’energia idrica, il vento ecc. (Inan, 1995).
Tutta l’energia di cui la superficie terrestre ha bisogno proviene dal sole. Circa l’1-2% di questa energia si trasforma in energia eolica (Vindmolleindustrien, 2006). Quindi, possiamo dire che l’energia eolica è l’energia solare che viene trasformata in energia di velocità (energia cinetica) (Karadeli, 1999). Il vento è definito come il movimento dell’aria nell’atmosfera per bilanciare lo squilibrio di calore che è causato dal riscaldamento ineguale dell’aria da parte della principale fonte di energia, il Sole (Ozdamar e Colak, 2000).
Le forze principali nell’atmosfera che producono il vento e ne influenzano la velocità sono; la forza di gradiente di pressione, la forza di deviazione, la forza centrifuga e la forza di attrito (Yavuzcan, 1974). La forza del gradiente di pressione agisce per spostare l’aria dall’alta pressione alla bassa pressione. La forza di deviazione influenza l’aria in due modi: uno è come forza di deviazione della rotazione terrestre per i movimenti che si creano lungo i cerchi di latitudine e il secondo è come forza di deviazione della rotazione terrestre per i movimenti dall’equatore ai poli o nella direzione opposta. I venti, in generale, sono sotto l’effetto di una forza che li vuole deviare dal loro centro perché si arricciano intorno ad un centro. Questa forza si chiama forza centrifuga. La forza di attrito cerca di diminuire la velocità del vento. L’effetto di questa forza è maggiore quando è vicino alla superficie terrestre (Yavuzcan, 1994).
IMPORTANZA DEL ROTORE
Il motore è l’organo che trasforma l’energia cinetica del vento in energia meccanica. Per questo motivo è molto importante per le turbine eoliche. È molto importante che il rotore e le pale del rotore abbiano caratteristiche ottimali, perché queste hanno un effetto diretto sull’efficienza delle turbine eoliche.
| Fig. 1: | Coefficiente di potenza (Cp) secondo Betz (1926) |
Un flusso di massa ha un’energia cinetica a causa della sua velocità (Klug, 2001).
La realizzazione deriva dall’energia per tempo. Calcolo del flusso di massa:
In queste condizioni possiamo calcolare la potenza con la seguente equazione (Klug, 2001);
La potenza equa dà la potenza teorica che si può ottenere dall’energia cinetica che è immagazzinata nel vento come Watt. Questa potenza teorica deve essere trasformata in potenza utile con l’aiuto del rotore della turbina. A questo punto si deve prendere in considerazione una costante che è influenzata dalla velocità del vento, dalla velocità dell’albero della turbina e dalla scelta delle pale. Questa costante è chiamata costante di potenza ideale (Cp). Il tipo di lama, la forma della lama, l’angolo di inclinazione e la velocità della punta delle pale sono fattori efficaci in questo caso. In Fig. 1 il diagramma del coefficiente di potenza ideale. Teoricamente la costante di potenza ideale non può superare 0,59. Questa costante è chiamata costante di Betz. In pratica, questo valore è ancora più piccolo (Becenen e Eker, 2001). Perché le perdite meccaniche (η) entrano in gioco nella pratica. Ma il valore di efficienza meccanica può essere trascurato nei calcoli, perché è vicino a 1. La nostra equazione con questa conoscenza è la seguente:
Una cosa che non deve essere dimenticata qui è che la densità dell’aria è 1,225 kgm-3 in condizioni meteorologiche standard (temperatura: 15°C e pressione dell’aria: 1013,3 hPa) (Klug, 2001). I cambiamenti nella temperatura e nella pressione dell’aria cambieranno la densità dell’aria.
| Fig. 2: | Numero di cicli di diverse strutture durante la vita (Klug, 2001) |
Il rotore della turbina eolica e le altre costruzioni
In Fig. 2 il numero di cicli di diverse strutture durante la vita.
Gli aerei commerciali hanno più stress dei ponti e degli elicotteri. All’opposto, il numero di giri è inferiore a quello dei ponti e degli elicotteri. In questa sequenza, i ponti vengono dopo gli aerei commerciali. Gli elicotteri hanno più stress dopo i ponti. E le turbine eoliche arrivano all’ultima sequenza. Questa conoscenza ci mostra le turbine eoliche non molto stress, anche se ha più alto numero di giri funziona.
INTENZIONE CHE ROTORE DESIGN
| – | A bassa velocità del vento alta alimentazione. |
| – | Fornire l’alta potenza a bassa altezza del mozzo. |
| – | Fornire l’alta potenza in piccoli diametri del rotore. |
| – | I coefficienti di potenza del rotore aumentano. |
| – | Ottimo il rapporto di velocità di punta del rotore produce. |
Principi di progettazione del rotore
Il raggiungimento della massima produzione energetica da una turbina eolica dipende da vari fattori. Questi sono fattori come l’altezza della turbina eolica; l’area di spazzamento delle pale eoliche e la struttura aerodinamica, la densità dell’aria e la velocità del vento. I più importanti di questi fattori sono l’altezza della turbina eolica e la struttura aerodinamica della pala della turbina eolica. L’altezza della turbina eolica è importante perché la velocità del vento aumenta man mano che ci si allontana dalla superficie terrestre (Yavuzcan, 1994; Klug, 2001). La struttura aerodinamica della pala della turbina eolica è importante, perché può trasformare al massimo il 59% dell’energia cinetica che il vento ha in energia utile (Klug, 2001).
Aerodinamica del motore della turbina eolica: Nella trasformazione dell’energia eolica, che è formata dal riscaldamento di diversi punti dell’atmosfera da parte della principale fonte di energia solare, in energia elettrica; il rotore eolico, che è il primo anello della catena di trasformazione, può essere progettato secondo Betz o Glaubert-Schmitz allo scopo di trasferire la potenza eolica esistente con la minima perdita (Ozdamar e Kavas, 1999).
| Fig. 3: | Regolazione degli angoli β (Piggott, 2006) |
| Fig. 4: | Alcuni angoli di profili di lamiera (Piggott, 2006) |
Computa la velocità di rotazione di un elemento di lama del rotore, che si trova a distanza r dal centro del rotore, come giù (Ozdamar e Kavas, 1999):
E il rapporto di velocità di punta del rotore può essere calcolato con la seguente equazione (Ozdamar e Kavas, 1999).
In un progetto di lama deve regolare gli angoli beta (Fig. 3), al fine di utilizzare la corda alla lama (Piggott, 2006).
Il vento che soffia dalla direzione opposta, raccoglie il vento reale per dare il vento visibile che fornisce le forze di sollevamento e di trascinamento (Piggott, 2006).
Se si vuole progettare un rotore di turbina eolica, allora l’angolo di assalto dipende dall’angolo Φ dei venti visibili e dall’angolo delle pale (Fig. 4).
| Fig. 5: | Quel volume di vento che gli elementi della pala lavorano (Piggott, 2006) |
L’angolo della pala controlla l’angolo d’assalto, quindi controlla la quantità di sollevamento e trascinamento della pala (Piggott, 2006).
In pratica, la maggior parte dei profili produce la migliore curva di sollevamento/ trascinamento quando l’angolo di assalto è di 5 gradi. Come principio generale, quando non si possono ottenere dati dettagliati, dare questo angolo d’attacco significa esporre l’angolo della lama (Piggott, 2006).
Quando si prepara l’angolo della lama, si deve preparare anche la larghezza della corda. Ecco la ragione di questo: ogni elemento della pala è sotto l’effetto di un certo vento come una corda per funzionare. Una corda con raggio r è piccola vicino al centro e diventa più grande man mano che si allontana dal centro e la quantità di vento nella corda viene mantenuta bassa. La parte più importante della cosa sono le lame più lontane dal centro (Fig. 5). La parte più vicina al centro è meno importante, ma inevitabilmente ha una forma diversa (Piggott, 2006).
Secondo Betz, il vento decelera la sua velocità in un rapporto di 1/3 in ogni parte dell’area di spazzamento dei rotori e questa decelerazione è realizzata dalla forza di spinta che è strettamente legata alla forza di sollevamento. Da questa regolazione deriva la seguente equazione (Piggott, 2006).
Computare il numero di pale può usare la seguente equazione (Piggott, 2006):
Il cavo nella parte esterna della pala può essere calcolato con la seguente equazione (Piggott, 2006):
La parte esterna delle pale è più importante per il movimento dei rotori. Ma la parte interna delle pale deve essere progettata più larga per aiutare la potenza di rotazione all’inizio (Piggott, 2006).
Altezza del rotore della turbina eolica: Man mano che la velocità del vento si allontana dalla superficie terrestre, si libera dall’effetto di attrito causato dalla rugosità della superficie terrestre. Così si muove più liberamente. Man mano che si allontana dagli ostacoli che decelerano la sua velocità, la sua velocità aumenta. Si suppone che i venti che si trovano a 1000 m sopra la superficie terrestre, cioè i venti geostrofici, non siano influenzati dalla rugosità della superficie terrestre e dalle perdite per attrito. Alla luce di questi pensieri, possiamo dire che c’è una relazione tra la velocità del vento e l’altezza del vento. Questo è il motivo per cui le turbine eoliche sono costruite il più in alto possibile (Becenen e Eker, 2001).
I valori della velocità del vento con l’altezza dell’asse del rotore possono essere calcolati con la seguente equazione (Klug, 2001).
Il coefficiente di rugosità dei valori in questa equazione deriva dall’osservazione, dall’assunzione e dall’esperienza (Klug, 2001).
Diametro del rotore della turbina eolica: Oltre a determinare l’altezza della turbina, deve essere determinato il diametro del vento che la pala del rotore spazza. Il diametro del vento che la pala del rotore spazza ha un effetto diretto sulla potenza che sarà ottenuta dalla turbina. Il diametro del nostro rotore determinerà l’area della sezione di vento che il rotore spazza (Klug, 2001).
Il potenziale del vento in cui il rotore della turbina eolica opererà: Il potenziale del vento nel luogo in cui sarà installata la turbina eolica è molto importante. Per questo motivo è uno dei parametri che devono essere considerati nella progettazione del rotore. Il potenziale di velocità del vento nel luogo in cui sarà installata la turbina eolica deve essere osservato almeno per 6 mesi. Il potenziale del vento ha un effetto diretto sull’efficienza del rotore della turbina eolica.
La velocità del vento è il fattore più importante dell’energia del vento. La potenza che sarà ottenuta dal vento è direttamente proporzionale alla terza potenza della velocità del vento.
| Fig. 6: | Ritenere il vento contro quell’ostacolo (Klug, 2001) |
| Fig. 7: | Profilo verticale del vento |
Per esempio, approssimativamente, se la velocità del vento è di 1 m sec-1, allora la potenza che sarà ottenuta è 13 = 1 W e quando la velocità aumenta a 2 m/sec, allora la potenza che sarà ottenuta sarà 23 = 8 W, quando la velocità aumenta a 2 m sec-1, allora la potenza che sarà ottenuta sarà 33 = 27 W e così via (Vindmolleindustrien, 2006).
Quando la velocità del vento ha così tanto effetto sulla potenza che sarà ottenuta dalla turbina eolica, il potenziale del vento in cui la turbina sarà costruita è molto importante. L’obiettivo principale è trovare il punto dove la velocità del vento è massima e installare la turbina lì.
Struttura del terreno del luogo dove il rotore della turbina eolica funzionerà: C’è una relazione tra la velocità del vento e l’altezza del vento. Questa relazione dipende da alcune condizioni. Queste condizioni derivano dalla forma del terreno. Le stesse condizioni non si applicano in una superficie di terra piatta e una superficie con ostacoli. In una superficie piana come l’altezza aumenta, anche la velocità aumenta in un rapporto diretto, ma questo non sarà vero in una superficie con ostacoli. In una superficie con ostacoli, il vento dovrà scavalcare gli ostacoli per riprendere il suo corso e questo causerà una pausa nella velocità del vento.
Se i criteri più importanti per ottenere energia dal vento sono la velocità del vento, allora è molto importante trovare le zone dove la velocità del vento è alta e installare lì il rotore della turbina eolica. Ma non dobbiamo fare un falso presupposto che quando aumentiamo l’altezza cattureremo sempre venti che contengono più energia (Fig. 6).
I fattori che influenzano la velocità del vento a seconda dell’altezza sono; la costante di Von Karman, la velocità di attrito superficiale e la lunghezza di rugosità.
La costante di Von Karman viene presa in vari valori tra 0 e 4; la lunghezza di rugosità viene presa tra 0 e 5. Un grafico riguardante questi valori è dato qui sotto (Fig. 7).
Le prestazioni richieste dal rotore della turbina eolica: Prima di scegliere una turbina eolica per un’impresa, dobbiamo innanzitutto determinare di quanta potenza elettrica ha bisogno la nostra impresa. In questo modo, si può determinare la potenza della turbina eolica che sarà installata. Il rendimento richiesto dal rotore deve essere determinato in base alla potenza installata dall’impresa. A questo punto deve essere considerata anche la quantità di potenza di cui l’impresa avrà bisogno in futuro (Yavuzcan, 1978).
Potenza totale della centrale (Yavuzcan, 1978):
Per il massimo consumo la potenza utilizzata è qui (Yavuzcan, 1978);
La potenza della luce dell’impresa è (Yavuzcan, 1978);
Principi dei rotori progettati
Calcoli sulle pale di prova progettate: Determinazione del peso specifico dell’aria: I valori della temperatura dell’aria nella galleria del vento durante il lavoro delle pale da esperimento devono essere misurati. E si può calcolare con la seguente equazione. Quindi, questo valore determinerà la densità atmosferica (Vardar, 2002).
Determinazione dell’area della sezione del rotore: Il piano di sezione del rotore è un valore costante e dipende dal diametro del rotore. Al calcolo del piano di sezione del rotore utilizza la seguente equazione.
Calcolo della potenza teorica del vento che va al rotore: Il vento ha un’energia cinetica a causa della sua velocità. A causa dell’energia cinetica, qui dà una potenza. E questo potere è il massimo potere dal vento viene ed è utilizzabile. Questa potenza massima può essere calcolata con la seguente equazione (Klug, 2001).
Determinazione del valore della potenza elettrica sul motore elettrico: A causa della velocità del vento il rotore girerà. E quindi nel motore elettrico usciranno corrente e tensione. Il valore di questa corrente e tensione può essere misurato con gli analizzatori di circuito. E questo valore due scrive nella seguente equazione, in qui ottiene la potenza elettrica (Erna, 1977).
Determinazione delle pale rapporto di velocità di punta: Il rapporto di velocità di punta è in relazione con la velocità di rotazione (Di punto in distanza di r (raggio) dal centro del rotore è la velocità di rotazione) e la velocità del vento. Questa velocità di rotazione può essere determinata con la seguente equazione (Ozdamar e Kavas, 1999).
E il rapporto di velocità di punta può essere calcolato con la seguente equazione (Ozdamar e Kavas, 1999).
Calcolo del coefficiente di potenza: Tutta la potenza teorica del vento non può trasformarsi in potenza pratica (Betz, 1926). Durante la trasformazione ci sono delle perdite di potenza. A questa condizione deve calcolare il rapporto di trasformazione dalla potenza teorica del vento alla potenza dell’asse. Nei calcoli si può usare la seguente equazione (Ozdamar e Kavas, 1999).
Nella tabella 1 il valore della perdita del vortice.
| Tabella 1: | Valori di CPschmitz secondo λ (Ozdamar e Kavas, 1990) |
La perdita di profilo può essere calcolata con la seguente equazione (Ozdamar e Kavas, 1999).
Il numero di scorrimento può essere calcolato con la seguente equazione (Ozdamar e Kavas, 1999).
Il valore di questo ε cambia in funzione del profilo della lama.
I valori di velocità ottenuti con gli esperimenti sono scritti nella seguente equazione (Piggott, 2006).
Se si osservano i valori Re calcolati e il profilo utilizzato, si può ottenere il valore ottimale CK/CD e α (angolo d’attacco) (con l’aiuto del software Snack 2.0).0).
La perdita di punta può essere calcolata con la seguente equazione (Ozdamar e Kavas, 1999).
Determinazione della potenza dell’albero: Con le Eq. 18 e 22 possiamo determinare la potenza teorica del vento e il coefficiente di potenza. Questo due valore scrive nella seguente equazione, può mettere la potenza pratica dell’asse dei profili delle pale (Ozdamar e Kavas, 1999).
Calcoli sulle pale reali: Prendendo in considerazione i risultati dei test, il valore di potenza che può essere ottenuto dall’albero del rotore che sarà installato sulla turbina eolica può essere calcolato con il seguente metodo.
Determinazione dell’area della sezione trasversale del rotore: Anche il piano di sezione del rotore della pala reale può essere calcolato con l’equazione 17 (Birnie, 1999). I valori del diametro del rotore devono essere uguali per confrontare i rotori dopo i calcoli.
Determinazione della potenza del rotore: Il valore di Cp, che è usato per la potenza dell’asse del rotore, è stato calcolato con l’Eq. 22. I valori della densità atmosferica e della velocità del vento devono essere costanti per confrontare i rotori dopo i calcoli. La potenza dell’asse del rotore delle pale reali può essere calcolata con la seguente equazione (Klug, 2001).
Adattare le pale reali alla presenza del vento nelle regioni: I valori di velocità del vento qui utilizzati sono valori che sono stati misurati e osservati per almeno 6 mesi. I valori di velocità del vento qui utilizzati sono valori misurati a 10 m dal suolo. Il valore del coefficiente di potenza qui utilizzato è importante. Per confrontare i rotori alla fine dei calcoli, il peso specifico dell’aria deve essere preso come valore costante.
Calcolo dell’area della sezione trasversale dei rotori: Il piano della sezione del rotore agli adattamenti reali delle pale nella regione, può calcolare con l’aiuto dell’Eq. 17 (Birnie, 1999).
Determinazione della velocità del vento sull’altezza dell’asse del rotore: La velocità del vento all’altezza del mozzo del rotore può essere calcolata con l’aiuto della seguente equazione (Klug, 2001).
Calcolo della potenza dell’albero dei rotori: La potenza nell’asse può essere calcolata con l’aiuto della Eq. 25 (Klug, 2001).
CONCLUSIONI
Per aumentare l’efficienza delle turbine eoliche, i principi di pianificazione del rotore sono molto importanti per le turbine eoliche ad asse orizzontale. Non è possibile aspettarsi la massima efficienza da una turbina eolica che viene installata senza fare i processi di ottimizzazione.
Come in ogni argomento, per avere successo quando si utilizza l’energia eolica, i valori di base devono essere basati su dati scientifici. Quando l’argomento viene considerato da questo punto di vista, i parametri di progettazione del rotore devono essere proposti nelle turbine eoliche. Partendo da qui, i sistemi più adatti possono essere sviluppati prendendo i dati di partenza come base.
La strategia di base è quella di mettere in pratica sistemi ad alte prestazioni che possano competere.
Nomenclatura