Principiul de proiectare a rotorului pentru turbinele eoliene cu ax orizontal
INTRODUCERE
Omul a folosit focul ca primul tip de energie, cu excepția hranei. Oamenii au trăit doar cu hrană până la utilizarea focului. În plus, oamenii s-au separat odată cu utilizarea focului de celelalte viețuitoare. După aceea se folosea lemnul pentru ca focul să ardă și acesta să nu se stingă. Ei aveau o diviziune a muncii în cadrul vieții sociale. Prin urmare, oamenii foloseau un nou tip de energie. Noul tip de energie era un alt om. Din cauza vieții nomade, trebuia să se mute dintr-un loc în altul. Rezultatul vieții nomade a fost folosirea animalelor pentru transport. Un alt tip de energie folosită de oameni este energia hidraulică. Aceasta a fost folosită de oameni odată cu sfârșitul vieții nomade. De asemenea, oamenii au folosit vântul pentru a naviga cu bărci și în secolul al XII-lea (D.C.) cu ajutorul morilor de vânt. După 16. Secol a crescut în special consumul de energie din cauza producției de cărbune. Petrolul a fost folosit în secolul 19. Veacurile industriei au început cu petrolul și marea municipalitate umană a fost afectată. După aceea oamenii au descoperit energia nucleară (Inan, 1995).
Finalul secolului 20 au început problemele cu mediul înconjurător. Și că noi am dus la energii curate și regenerabile. Aceste energii curate și regenerabile sunt soarele, energia geotermală, biomasa, energia hidraulică, vântul etc. (Inan, 1995).
Toată energia de care are nevoie suprafața Pământului provine de la Soare. Aproximativ 1-2% din această energie este transformată în energie eoliană (Vindmolleindustrien, 2006). Astfel, putem spune că energia eoliană este energia solară care este transformată în energie de viteză (energie cinetică) (Karadeli, 1999). Vântul este definit ca fiind mișcarea aerului în atmosferă pentru a echilibra dezechilibrul termic care este cauzat de încălzirea inegală a aerului de către principala sursă de energie, Soarele (Ozdamar și Colak, 2000).
Principalele forțe din atmosferă care produc vântul și îi afectează viteza sunt; forța de gradare a presiunii, forța de deviere, forța centrifugă și forța de frecare (Yavuzcan, 1974). Forța de gradient de presiune acționează pentru a muta aerul de la presiune înaltă la presiune joasă. Forța de deviere afectează aerul în două moduri: unul este ca forță de deviere a rotației Pământului pentru mișcările care se creează de-a lungul cercurilor de latitudine, iar al doilea este ca forță de deviere a rotației Pământului pentru mișcările de la ecuator la poli sau în direcția opusă. Vânturile, în general, se află sub efectul unei forțe care vrea să le devieze de la centrul lor, deoarece se încolăcesc în jurul unui centru. Această forță se numește forță centrifugă. Forța de frecare încearcă să scadă viteza vântului. Efectul acestei forțe este mai mare atunci când se apropie de suprafața pământului (Yavuzcan, 1994).
IMPORTANȚA ROTORULUI
Rotorul este organul care transformă energia cinetică a vântului în energie mecanică. Din acest motiv, el este foarte important pentru turbinele eoliene. Este foarte important ca rotorul și palele rotorului să aibă caracteristici optime, deoarece acestea au un efect direct asupra eficienței turbinelor eoliene.
| Fig. 1: | Coeficientul de putere (Cp) conform lui Betz (1926) |
O masă de curgere are o energie cinetică datorită vitezei sale (Klug, 2001).
Realizarea derivă din energia pe timp. Calculul debitului masic:
În aceste condiții putem calcula puterea cu următoarea ecuație (Klug, 2001);
Echitatea puterii dă puterea teoretică ce poate fi obținută din energia cinetică ce este stocată în vânt ca Watt. Această putere teoretică trebuie să fie transformată în putere utilă cu ajutorul rotorului turbinei. În acest moment trebuie să se ia în considerare o constantă, care este influențată de viteza vântului, de viteza arborelui turbinei și de alegerea paletelor. Această constantă se numește constanta de putere ideală (Cp). Tipul și forma paletei, unghiul de înclinare și viteza vârfului paletei sunt factori eficienți în acest caz. În Fig. 1 este prezentată diagrama coeficientului de putere ideală. Teoretic, constanta de putere ideală nu poate depăși 0,59. Această constantă se numește constanta Betz. În practică, această valoare este chiar mai mică (Becenen și Eker, 2001). Deoarece în practică intră în acțiune pierderile mecanice (η). Dar valoarea randamentului mecanic poate fi neglijată în calcule, deoarece este apropiată de 1. Ecuația noastră cu aceste cunoștințe este următoarea:
Un lucru care nu trebuie uitat aici este că densitatea aerului este de 1,225 kgm-3 în condiții meteorologice standard (temperatură: 15°C și presiune atmosferică: 1013,3 hPa) (Klug, 2001). Modificările temperaturii și presiunii aerului vor modifica densitatea aerului.
| Fig. 2: | Numărul de cicluri ale diferitelor structuri pe durata de viață (Klug, 2001) |
Rotorul turbinei eoliene și alte construcții
În Fig. 2 numărul de cicluri ale diferitelor structuri în timpul duratei de viață.
Avioanele comerciale au mai multe solicitări decât podurile și elicopterele. În sens opus, acesta este mai mic numărul de rotații decât podurile și elicopterele. În această secvență, podurile vin după avioanele comerciale. Elicopterele au mai multă tensiune decât după poduri. Iar turbinele eoliene vin în ultima secvență. Această cunoaștere ne arată că turbinele eoliene nu foarte mult stres, deși are un număr mai mare de rotații funcționează.
INTENȚIE CA PROIECTAREA ROTORULUI
| – | Pentru viteze mici ale vântului alimentare cu putere mare. |
| – | Să furnizeze puterea mare la o înălțime mică a butucului. |
| – | Să furnizeze puterea mare la diametre mici ale rotorului. |
| – | Creșterea coeficienților de putere ai rotorului. |
| – | Optimizarea raportului de viteză la vârf al rotorului produce. |
Principii de proiectare a rotorului
Obținerea unei producții maxime de energie de la o turbină eoliană depinde de diverși factori. Aceștia sunt factori precum înălțimea turbinei eoliene; suprafața de măturare a paletelor turbinei eoliene și structura aerodinamică, densitatea aerului și viteza vântului. Cei mai importanți dintre acești factori sunt înălțimea turbinei eoliene și structura aerodinamică a paletei turbinei eoliene. Înălțimea turbinei eoliene este importantă deoarece viteza vântului crește pe măsură ce ne îndepărtăm de suprafața pământului (Yavuzcan, 1994; Klug, 2001). Structura aerodinamică a paletei turbinei eoliene este importantă, deoarece poate transforma maximum 59% din energia cinetică pe care o are vântul în energie utilă (Klug, 2001).
Aerodinamica motorului turbinei eoliene: În transformarea energiei eoliene, care se formează prin încălzirea diferitelor puncte ale atmosferei de către principala sursă de energie, soarele, în energie electrică; rotorul eolian, care este primul inel în lanțul de transformare, poate fi proiectat conform Betz sau Glaubert-Schmitz în scopul transferului energiei eoliene existente cu pierderi minime (Ozdamar și Kavas, 1999).
| Fig. 3: | Ajustarea unghiurilor β (Piggott, 2006) |
| Fig. 4: | Unele unghiuri ale profilelor de tablă (Piggott, 2006) |
Calculează viteza de rotație a unui element de pală a rotorului, care se află cu distanța r de centrul rotorului, ca în jos (Ozdamar și Kavas, 1999):
Și raportul de viteză de vârf al rotorului se poate calcula cu următoarea ecuație (Ozdamar și Kavas, 1999):
Și raportul de viteză de vârf al rotorului se poate calcula cu următoarea ecuație (Ozdamar și Kavas, 1999).
Într-un proiect de pală trebuie să se ajusteze unghiurile beta (Fig. 3), pentru a utiliza cordonul la pală (Piggott, 2006).
Vântul care suflă din direcția opusă, adună vântul real pentru a da vântul vizibil care asigură forțele de ridicare și de tragere (Piggott, 2006).
Dacă se dorește proiectarea unui rotor de turbină eoliană, atunci unghiul de asalt depinde de unghiul Φ al vântului vizibil și de unghiul palei (Fig. 4).
| Fig. 5: | Cel volum de vânt pe care funcționează elementele paletei (Piggott, 2006) |
Unghiul paletei controlează unghiul de asalt, deci controlează cantitatea de ridicare și de tragere în pală (Piggott, 2006).
În practică, majoritatea profilelor produc cea mai bună curbă de ridicare/tragere atunci când unghiul de asalt este de 5 grade. Ca principiu general, atunci când nu se pot obține date detaliate, a da acest unghi de asalt înseamnă a expune unghiul lamei (Piggott, 2006).
Când se pregătește unghiul lamei, trebuie să se pregătească și lățimea cordonului. Iată care este motivul; fiecare element de pală se află sub efectul unui anumit vânt ca o coardă pentru a funcționa. O coardă cu raza r este mică în apropierea centrului și devine mai mare pe măsură ce se îndepărtează de centru, iar cantitatea de vânt din coardă este menținută scăzută. Cea mai importantă parte a lucrurilor este reprezentată de palele aflate în partea cea mai îndepărtată de centru (Fig. 5). Partea cea mai apropiată de centru este mai puțin importantă, dar, inevitabil, are o formă diferită (Piggott, 2006).
Potrivit lui Betz, vântul își deccelerează viteza într-un raport de 1/3 în fiecare parte a zonei de baleiaj a rotoarelor și această decelerație se realizează prin forța de împingere care este strâns legată de forța de ridicare. Din această reglementare rezultă următoarea ecuație (Piggott, 2006).
Calcularea numărului de pale poate folosi următoarea ecuație (Piggott, 2006):
Coarda din partea exterioară a palei poate fi calculată cu următoarea ecuație (Piggott, 2006):
Partea exterioară a palei este mai importantă pentru mișcarea rotorului. Dar partea interioară a paletelor trebuie să fie proiectată mai largă pentru a ajuta puterea de rotație la început (Piggott, 2006).
Înălțimea rotorului turbinei eoliene: Pe măsură ce viteza vântului se îndepărtează de suprafața terestră, acesta se eliberează de efectul de frecare cauzat de rugozitatea suprafeței terestre. Astfel, se deplasează mai liber. Pe măsură ce se îndepărtează de obstacolele care îi încetinesc viteza, viteza sa crește. Se presupune că vânturile care se află la 1000 m deasupra suprafeței Pământului, și anume vânturile geostrofice, nu sunt afectate de rugozitatea suprafeței Pământului și de pierderile prin frecare. În lumina acestor gânduri, putem spune că există o relație între viteza vântului și înălțimea vântului. Acesta este motivul pentru care turbinele eoliene sunt construite cât mai sus posibil (Becenen și Eker, 2001).
Valorile vitezei vântului cu înălțimea axei rotorului se pot calcula cu următoarea ecuație (Klug, 2001).
Coreficientul de rugozitate al valorilor în această ecuație provine din observație, ipoteză și experiență (Klug, 2001).
Diametrul rotorului turbinei eoliene: Pe lângă determinarea înălțimii turbinei, trebuie determinat diametrul vântului pe care paleta rotorului îl mătură. Diametrul vântului pe care paleta rotorului îl mătură are un efect direct asupra puterii care va fi obținută de la turbină. Diametrul rotorului nostru va determina suprafața secțiunii de vânt pe care o mătură rotorul (Klug, 2001).
Potențialul eolian în care va funcționa rotorul turbinei eoliene: Potențialul eolian în locul în care va fi instalată turbina eoliană este foarte important. Din acest motiv, este unul dintre parametrii care trebuie luați în considerare la proiectarea rotorului. Potențialul de viteză a vântului în locul în care va fi instalată turbina eoliană trebuie să fie observat cel puțin timp de 6 luni. Potențialul vântului are un efect direct asupra eficienței rotorului turbinei eoliene.
Viteza vântului este cel mai important factor privind energia vântului. Puterea care va fi obținută din vânt este direct proporțională cu puterea a treia a vitezei vântului.
| Fig. 6: | Reținerea vântului împotriva acelui obstacol (Klug, 2001) |
| Fig. 7: | Profilul vertical al vântului |
De exemplu, în linii mari, dacă viteza vântului este de 1 m sec-1, atunci puterea care va fi obținută este de 13 = 1 W, iar când viteza crește la 2 m/sec, atunci puterea care va fi obținută va fi de 23 = 8 W, când viteza crește la 2 m sec-1, atunci puterea care va fi obținută va fi de 33 = 27 W și așa mai departe (Vindmolleindustrien, 2006).
Când viteza vântului are un efect atât de mare asupra puterii care va fi obținută de la turbina eoliană, potențialul eolian în locul unde va fi construită turbina este foarte important. Obiectivul principal este de a găsi punctul în care viteza vântului este maximă și de a instala turbina acolo.
Structura terenului din locul în care va funcționa rotorul turbinei eoliene: Există o relație între viteza vântului și înălțimea vântului. Această relație este dependentă de anumite condiții. Aceste condiții își au originea în formele terenului. Aceleași condiții nu se aplică pe o suprafață de teren plană și pe o suprafață cu obstacole. Pe o suprafață plană, pe măsură ce crește înălțimea, crește și viteza într-un raport direct, dar acest lucru nu este valabil pe o suprafață cu obstacole. Pe o suprafață cu obstacole, vântul va trebui să urce peste obstacole pentru a-și relua cursul și acest lucru va provoca o pauză în viteza vântului.
Dacă cele mai importante criterii pentru obținerea energiei din vânt sunt viteza vântului, atunci este foarte important să se găsească zonele în care viteza vântului este mare și să se instaleze acolo rotorul turbinei eoliene. Dar nu trebuie să facem o presupunere falsă că atunci când creștem înălțimea vom prinde întotdeauna vânturi care conțin mai multă energie (Fig. 6).
Factorii care influențează viteza vântului în funcție de înălțime sunt; constanta Von Karman, viteza de frecare a suprafeței și lungimea rugozității.
Constanta Von Karman este luată în diferite valori între 0 și 4; lungimea rugozității este luată între 0 și 5. Un grafic referitor la aceste valori este prezentat mai jos (Fig. 7).
Performanțele cerute de la rotorul turbinei eoliene: Înainte de a alege o turbină eoliană pentru o întreprindere, trebuie mai întâi să determinăm de câtă energie electrică are nevoie întreprinderea noastră. În acest fel, se poate determina puterea turbinei eoliene care va fi instalată. Performanța solicitată de la rotor trebuie să fie determinată în funcție de puterea instalată a întreprinderii. În acest moment trebuie să se ia în considerare și cantitatea de energie de care întreprinderea va avea nevoie în viitor (Yavuzcan, 1978).
Puterea totală a centralei (Yavuzcan, 1978):
Pentru consumul maxim folosit puterea este aici (Yavuzcan, 1978);
Puterea de lumină a întreprinderii este (Yavuzcan, 1978);
Principii de proiectare a rotoarelor
Calcule privind paletele de încercare proiectate: Determinarea densității specifice a aerului: Se vor măsura valorile temperaturii aerului în tunelul aerodinamic în timpul lucrului cu paletele experimentale. Și se poate calcula cu următoarea ecuație. Deci, această valoare va determina densitatea atmosferică (Vardar, 2002).
Determinarea ariei secțiunii transversale a rotorului: Planul de secțiune al rotorului este o valoare constantă și depinde de diametrul rotorului. La calcularea planului secțiunii rotorului se folosește următoarea ecuație:
Calcularea puterii teoretice a vântului care ajunge la rotor: Vântul are o energie cinetică datorită vitezei sale. Din cauza energiei cinetice, aici dă o putere. Și această putere este puterea maximă de la vânt vine și este utilizabilă. Această putere maximă poate fi calculată cu următoarea ecuație (Klug, 2001).
Determinarea valorii puterii electrice pe motorul electric: Din cauza vitezei vântului, rotorul se va roti. Și, prin urmare, în motorul electric vor ieși curent și tensiune. Valoarea acestui curent și tensiune se poate măsura cu ajutorul analizoarelor de circuit. Și aceste două valori se scriu în următoarea ecuație, în care se obține puterea electrică (Erna, 1977).
Determinarea raportului de viteză la vârful paletelor: Raportul vitezei de vârf este relația cu viteza de rotație (Din punctul pe distanța r (raza) de la centrul rotorului este viteza de rotație) și viteza vântului. Această viteză de rotație poate fi determinată cu următoarea ecuație (Ozdamar și Kavas, 1999).
Și raportul vitezei de vârf poate fi calculat cu următoarea ecuație (Ozdamar și Kavas, 1999).
Calcularea coeficientului de putere: Întreaga putere teoretică a vântului nu se poate transforma în putere practică (Betz, 1926). În timpul transformării dau unele pierderi de putere. În această condiție trebuie să se calculeze relația de transformare din puterea teoretică a vântului în puterea pe axă. În calcule se poate folosi următoarea ecuație (Ozdamar și Kavas, 1999).
În tabelul 1 valoarea pierderilor vortex.
| Tabelul 1: | Valori ale CPschmitz în funcție de λ (Ozdamar și Kavas, 1990) |
Pierderea de profil poate fi calculată cu următoarea ecuație (Ozdamar și Kavas, 1999).
Numărul de alunecare poate fi calculat cu următoarea ecuație (Ozdamar și Kavas, 1999).
Valoarea acestui ε se modifică în funcție de profilul lamei.
Valorile de viteză obținute cu experimentele se scriu în următoarea ecuație (Piggott, 2006).
Dacă se respectă valorile Re calculate și profilul utilizat, se poate obține valoarea optimă CK/CD și α (unghiul de atac) (cu ajutorul softului Snack 2.0).
Pierderea la vârf poate fi calculată cu următoarea ecuație (Ozdamar și Kavas, 1999).
Determinarea puterii arborelui: Cu ajutorul ecuațiilor 18 și 22 se poate determina puterea teoretică a vântului și coeficientul de putere. Aceste două valorează scrie în următoarea ecuație, poate pune puterea de ax practică a profilelor de pală (Ozdamar și Kavas, 1999).
Calcule despre palele reale: Luând în considerare rezultatele testelor, valoarea puterii care poate fi obținută din arborele rotorului care va fi instalat pe turbina eoliană poate fi calculată prin următoarea metodă:
Determinarea ariei secțiunii transversale a rotorului: De asemenea, planul de secțiune al rotorului din pala reală se poate calcula cu ecuația 17 (Birnie, 1999). Valorile diametrului rotorului trebuie să fie aceleași pentru a compara rotoarele în urma calculelor.
Determinarea puterii arborelui rotorului: Valoarea lui Cp, care este utilizată la puterea axei rotorului, a fost calculată valoarea cu ecuația 22. Valorile densității atmosferice și ale vitezei vântului trebuie să fie constante pentru a compara rotoarele după calcule. Puterea pe axa rotorului a paletelor reale poate fi calculată cu următoarea ecuație (Klug, 2001).
Adaptarea paletelor reale la prezența vântului în regiuni: Valorile vitezei vântului care sunt utilizate aici sunt valori care au fost măsurate și observate timp de cel puțin 6 luni. Valorile vitezei vântului care sunt utilizate aici sunt valori măsurate la 10 m deasupra solului. Valoarea coeficientului de putere utilizată aici este importantă. Pentru a compara rotoarele la sfârșitul calculelor, gravitatea specifică a aerului trebuie să fie considerată o valoare constantă.
Calcularea ariei secțiunii transversale a rotoarelor: Planul secțiunii rotorului la adaptările reale ale paletelor în regiune, poate fi calculat cu ajutorul ecuației 17 (Birnie, 1999).
Determinarea vitezei vântului pe înălțimea axei rotorului: Viteza vântului pe înălțimea axului rotorului se poate calcula cu ajutorul următoarei ecuații (Klug, 2001).
Calcularea puterii pe axul rotorului: Puterea pe ax poate fi calculată cu ajutorul Ec. 25 (Klug, 2001).
CONCLUZII
Pentru a crește eficiența turbinelor eoliene, principiile de planificare a rotorului sunt foarte importante pentru turbinele eoliene cu axă orizontală. Nu este posibil să se aștepte eficiența maximă de la o turbină eoliană care este instalată fără a face procesele de optimizare.
Ca în orice subiect, pentru a avea succes atunci când se utilizează energia eoliană, valorile de bază trebuie să se bazeze pe date științifice. Atunci când subiectul este considerat din acest punct de vedere, trebuie să se avanseze parametrii de proiectare a rotorului în cazul turbinelor eoliene. Pornind de aici, se pot dezvolta cele mai potrivite sisteme, luând ca bază datele sursă.
Strategia de bază este de a pune în practică sisteme de înaltă performanță care pot concura.
Nomenclatură