Αποτελεσματικότητα ανεμογεννητριών: Πλήρεις πληροφορίες και συχνές ερωτήσεις

Ανεμογεννήτρια Η παραγωγή ενέργειας είναι ένας αυξανόμενος τομέας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. το 2020, η συνολική ικανότητα αιολικής ενέργειας στον κόσμο είναι 743GW. Καθώς τα αιολικά εργοστάσια παράγουν λιγότερη ρύπανση, η ζήτηση για παραγωγή αιολικής ενέργειας αυξάνεται.

Η απόδοση μιας ανεμογεννήτριας εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, όπως ο τύπος του στροβίλου, η γεωμετρία των λεπίδων, η διαθέσιμη ταχύτητα ανέμου κ.λπ. Το 59% είναι η μέγιστη απόδοση που μπορεί να επιτευχθεί με μια ανεμογεννήτρια. Η πρακτική απόδοση μιας ανεμογεννήτριας κυμαίνεται μεταξύ 30-45% και μπορεί να ανέλθει στο 50% κατά τη διάρκεια της αιχμής του ανέμου.

Εάν η τουρμπίνα λειτουργεί με απόδοση 100%, η ταχύτητα του ανέμου μετά το χτύπημα της τουρμπίνας γίνεται μηδέν, κάτι που είναι αδύνατο.  

αποδοτικότητα ανεμογεννητριών
Πιστωτική ανεμογεννήτρια: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Windmills_D1-D4_(Thornton_Bank).jpg
Πιστωτική ανεμογεννήτριας: https: //commons.wikimedia.org/wiki/ Αρχείο: Wind_turbine.gif

Τύπος απόδοσης ανεμογεννητριών

Ο υπολογισμός της απόδοσης είναι ουσιαστικός. η αποδοτικότητα βοηθά στη σύγκριση της απόδοσης των διαφόρων ανεμογεννητριών και της βέλτιστης ταχύτητας ανέμου για μέγιστη απόδοση.

Η συν-αποδοτικότητα ισχύος είναι η πιο κοινή λέξη για την απόδοση της ανεμογεννήτριας. Το Cp ορίζεται ως,

(1)   \ begin {align*} \ end {} \ mathbf {C_p = \ frac {(Ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από σωλήνα)} {(Κινητική ενέργεια του ανέμου εισόδου)}} \ end {align*}

Η ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από μια ανεμογεννήτρια μπορεί να υπολογιστεί από την έξοδο της γεννήτριας. Η παρακάτω εξίσωση υπολογίζει την κινητική ενέργεια εισόδου,

Που,

(2)   \ begin {align*} \ mathbf {KE_ {input} = \ frac {1} {2} \ rho AV^3} \ end {align*}

Α είναι η καλυμμένη περιοχή της ανεμογεννήτριας, V είναι η ταχύτητα του ανέμου, ρ είναι η πυκνότητα του αέρα.

Η τιμή Cp ποικίλλει σε σχέση με την ταχύτητα του ανέμου. επομένως η απόδοση της ανεμογεννήτριας ποικίλλει κατά τη λειτουργία.

Επιπλέον, το Cp εξαρτάται από τα μέρη του στροβίλου, δηλαδή τα πτερύγια του στροβίλου, τους άξονες και τη γεννήτρια. Επομένως, ο πολλαπλασιασμός της αεροδυναμικής απόδοσης των λεπίδων, η μηχανική απόδοση του άξονα και η ηλεκτρική απόδοση της γεννήτριας παρέχουν την τιμή του Cp.

Μέγιστη απόδοση ανεμογεννήτριας

Η μέγιστη δυνατή απόδοση της ανεμογεννήτριας προτείνεται από τον Albert Betz, Γερμανό φυσικό, το 1919. Παρέχει εικόνα για τη μέγιστη δυνατή απόδοση τουρμπίνας.

Το όριο του Betz δείχνει ότι το 59.3% είναι η μέγιστη δυνατή απόδοση μιας ανεμογεννήτριας. Ως εκ τούτου, η απόδοση του στροβίλου δεν υπερβαίνει ποτέ το 59%, συμπεριλαμβανομένων όλων των άλλων απωλειών, ανέρχεται σε 35-45% σε πρακτικές περιπτώσεις.  

Ας υποθέσουμε ότι η απόδοση μιας ανεμογεννήτριας είναι 100% που σημαίνει ότι ο στρόβιλος καταναλώνει όλη την ενέργεια του αέρα. Εάν συμβεί, η ταχύτητα του αέρα μετά τη διέλευση του στροβίλου γίνεται μηδέν. Αυτό σημαίνει ότι ο αέρας δεν ρέει, πράγμα που εμποδίζει την περαιτέρω ροή του αέρα. Έτσι, αυτή είναι μια αδύνατη κατάσταση.

Τώρα, εάν η ταχύτητα εισόδου και εξόδου του αέρα είναι η ίδια, αυτό σημαίνει ότι δεν εξάγεται ενέργεια, η οποία δίνει απόδοση 0% στον στρόβιλο. Ως εκ τούτου, η μέγιστη δυνατή απόδοση στροβίλου είναι κάπου μεταξύ 0 και 100%, εξαιρουμένων αυτών των ορίων.

Ο Betz απέδειξε ότι η μέγιστη δυνατή απόδοση είναι 59.3% για ανεμογεννήτρια με μαθηματικά και στερεά φυσική.

Τύποι ανεμογεννητριών και η αποτελεσματικότητά τους

Διατίθεται ποικιλία ανεμογεννητριών ανάλογα με τον άξονα περιστροφής και το σχεδιασμό των λεπίδων. Η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη ανεμογεννήτρια είναι η ανεμογεννήτρια οριζόντιου άξονα. Ωστόσο, άλλα είδη στροβίλων χρησιμοποιούνται επίσης για κατάλληλες συνθήκες. Οι διαφορετικοί τύποι στροβίλων είναι,

Ας συζητήσουμε την αποτελεσματικότητα αυτών των στροβίλων ξεχωριστά,

Απόδοση ανεμογεννήτριας οριζόντιου άξονα (HAWT)

Οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα χρησιμοποιούνται συνήθως για μεγάλα εργοστάσια, όπου υπάρχει αρκετός χώρος και άνεμος. Ο άξονας περιστροφής της λεπίδας του στροβίλου είναι παράλληλος με την επιφάνεια της γης.

Η αποτελεσματικότητα του HAWT κυμαίνεται μεταξύ 35-50%. Επί του παρόντος, το HAWT έχει την υψηλότερη απόδοση.

Η συλλεγόμενη αιολική ενέργεια από ανεμογεννήτρια εξαρτάται από την περιοχή που καλύπτεται από τις λεπίδες της τουρμπίνας. Για ένα HAWT, η περιοχή υπολογίζεται ως εξής,

(3)   \ begin {align*} A = \ pi L^2 \ end {align*}

Όπου, L είναι το μήκος της λεπίδας. Το μήκος κυμαίνεται μεταξύ 20 και 80 μέτρων.

Συνήθως αυτές οι ανεμογεννήτριες χρησιμοποιούνται για μεγάλες μονάδες παραγωγής. Η πιο κοινή οριζόντια ανεμογεννήτρια είναι 3 λεπίδων και το χρώμα των στροβίλων είναι συνήθως λευκό για ορατότητα από τα αεροσκάφη.

Πίστωση HAWT: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Micon-Turbine.JPG

Απόδοση ανεμογεννήτριας κάθετου άξονα (VAWT)

Οι ανεμογεννήτριες κάθετου άξονα χρησιμοποιούνται συνήθως για παραγωγή μικρής ενέργειας όπου ο χώρος είναι περιορισμένος. Ο άξονας περιστροφής των πτερυγίων των ανεμογεννητριών κάθετου άξονα είναι κάθετος στην επιφάνεια της Γης.

Η απόδοση του VAWT είναι μικρότερη σε σύγκριση με το HAWT. 

Όπως συζητήθηκε, η απόδοση εξαρτάται από την περιοχή των πτερυγίων τουρμπίνας που εκτίθενται στον άνεμο. Για το VAWT, η εκτεθειμένη περιοχή είναι,

(4)   \ begin {align*} A = DH \ end {align*}

Όπου D και H είναι η διάμετρος και το ύψος των λεπίδων.

Διατίθενται διάφορα είδη VAWT. Η ανεμογεννήτρια Darrius και η ανεμογεννήτρια Savonius είναι κοινά VAWT. Η αποτελεσματικότητα αυτών των δύο συζητείται παρακάτω.

Ανεμογεννήτρια κάθετου άξονα. Πίστωση: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1f/Vertical_Axis_Wind_Turbine_offshore.gif

Απόδοση ανεμογεννητριών Darrius

Η ανεμογεννήτρια Darrius είναι VAWT.

Η απόδοση της ανεμογεννήτριας Darrius είναι μεταξύ 30-40%. Η χρήση αυτών των στροβίλων είναι περιορισμένη, παρόλο που έχουν υψηλή απόδοση κυρίως λόγω της αδυναμίας εκκίνησης.

Ο στρόβιλος Darrius είναι στρόβιλος με ανελκυστήρα. Το σχήμα δείχνει μια ανεμογεννήτρια Darrius. Όπως φαίνεται παρακάτω, ένας αριθμός πτερυγίων αεροπλάνου είναι τοποθετημένοι σε κάθετο άξονα που περιστρέφεται. Οι λεπίδες καταπονούνται μόνο σε τάση για αυτές τις τουρμπίνες λόγω της καμπυλότητας. Ο σχεδιασμός αναπτύχθηκε από τον Γάλλο μηχανικό Georges Jean Marie Darrieus. Αυτά χρησιμοποιούνται συνήθως κοντά στον ανθρώπινο βιότοπο, στην κορυφή ενός κτιρίου ή στο κέντρο ενός δρόμου. Ωστόσο, η προστασία του στροβίλου είναι σκληρή σε ακραίες συνθήκες.

Πιστωτική ανεμογεννήτρια Darrius: https: //commons.wikimedia.org/wiki/ Αρχείο: Darrieus-Rotor_Ennabeuren-3256.jpg

Απόδοση ανεμογεννητριών Savonius

Η ανεμογεννήτρια Savonius είναι ένας διαφορετικός τύπος VAWT. Δυστυχώς, η απόδοση αυτών των στροβίλων είναι πολύ χαμηλή.

Η απόδοση της ανεμογεννήτριας Savonius κυμαίνεται μεταξύ 10-17%. Παρόλο που η απόδοση είναι πολύ χαμηλή, λόγω της απλής δομής και αξιοπιστίας του στροβίλου, αυτά χρησιμοποιούνται για την παραγωγή μικρής ποσότητας ηλεκτρικής ενέργειας σε κατάλληλες θέσεις.  

Ο στρόβιλος Savonius είναι στρόβιλος με βάση το drag. Το σχήμα δείχνει μια πραγματική ανεμογεννήτρια Savonius. Η κάτοψη της λεπίδας φαίνεται επίσης στο παρακάτω σχήμα.

Savonius ανεμογεννήτρια Credit: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Savonius_wind_turbine.jpg
Κάτοψη της ανεμογεννήτριας Savonius. Πίστωση: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Savonius-rotor_en.svg

Ο Φινλανδός μηχανικός Sigurd Johannes Savonius ανέπτυξε τον άνεμο Savonius το 1922. Υπάρχουν δύο τύποι σχεδιασμού λεπίδων για ανεμογεννήτρια Savonius, σχεδιασμός βαρελιού και σχεδιασμός ανέμου πάγου. Η ανεμογεννήτρια βαρέλι κάτοψης φαίνεται παραπάνω. Οι λεπίδες είναι ημικυλινδρικές. τα βαρέλια δεν συναντιούνται στο κέντρο. είναι μακριά από το κέντρο, το οποίο επιτρέπει την ελεύθερη κίνηση του ανέμου στη λεπίδα.

Απόδοση ανεμογεννητριών χωρίς λεπίδες

Οι ανεμογεννήτριες χωρίς λεπίδες είναι ένας συγκεκριμένος τύπος ανεμογεννήτριας, αυτές οι ανεμογεννήτριες δεν έχουν περιστρεφόμενες λεπίδες και η τουρμπίνα λειτουργεί με βάση δονήσεις που προκαλούνται από δίνη.

Η απόδοση μιας ανεμογεννήτριας χωρίς λεπίδες είναι πολύ μικρότερη σε σύγκριση με οποιαδήποτε άλλη ανεμογεννήτρια. Ωστόσο, το ελαφρύ, οικονομικά αποδοτικό και η λιγότερη συντήρηση είναι τα πλεονεκτήματα της ανεμογεννήτριας χωρίς λεπίδες. Επιπλέον, ο στρόβιλος απαιτεί λιγότερο χώρο. Ως εκ τούτου, μπορούν να εγκατασταθούν περισσότερες τουρμπίνες από τη συνηθισμένη ανεμογεννήτρια.

Απόδοση ανεμογεννητριών Αρχιμήδη

Η ανεμογεννήτρια Αρχιμήδης είναι μια πρόσφατα αναπτυγμένη τεχνολογία. Πρόκειται για μικρές κατασκευές και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ταράτσες, σε δρόμους κ.λπ.

Σε σύγκριση με τις συμβατικές ανεμογεννήτριες, οι ανεμογεννήτριες Αρχιμήδης είναι πιο αποδοτικές. Επιπλέον, ο στρόβιλος μειώνει πολλά άλλα προβλήματα που σχετίζονται με τους συμβατικούς τουρμπίνες. 

Για παράδειγμα, ο θόρυβος που παράγουν οι ανεμογεννήτριες Αρχιμήδης είναι σημαντικά μικρότερος σε σύγκριση με τη συμβατική τουρμπίνα. Το σχήμα του στροβίλου είναι μοντελοποιημένο παρόμοιο με τη σπείρα ενός κελύφους Nautilus. Αυτό το σχήμα δίνει τη δυνατότητα στον στρόβιλο να αυτορυθμίσει την όψη του στροβίλου σύμφωνα με τη ροή του ανέμου. 

Παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση της ανεμογεννήτριας

Η αποτελεσματικότητα των ανεμογεννητριών έχει ήδη συζητηθεί παραπάνω, από την οποία οι παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση των στροβίλων είναι,

  • Την ταχύτητα του ανέμου.
  • Η πυκνότητα του αέρα.
  • Ακτίνα λεπίδας.
  • Τύπος ανεμογεννήτριας

Σύγκριση απόδοσης ανεμογεννητριών

Ας ολοκληρώσουμε εδώ την απόδοση της ανεμογεννήτριας. Η απόδοση της ανεμογεννήτριας παρουσιάζεται παρακάτω.

ΤουρμπίναΑποδοτικότητα
Ανεμογεννήτρια οριζόντιου άξονα30-45
Ανεμογεννήτρια κάθετου άξονα10-40
Ανεμογεννήτρια Darrius30-40
Ανεμογεννήτρια Savonius10-17
ανεμογεννήτριες χωρίς λεπίδεςΠολύ λίγο

Για περισσότερες δημοσιεύσεις σχετικά με τη Μηχανολογία, ακολουθήστε τη δική μας Μηχανική σελίδα

Σχετικά με το Kiran PV

Lambda Geeks