Factorii ce influențează eficiența Turbinei Eoliene. Factorii Intrinseci.
Caracteristicile energetice ale turbinelor eoliene sunt determinate prin măsurarea directă a puterii generate, se măsoară în Kw, producția anuală de energie, estimată în Kw/an și valoarea efectivă de energie produsă din capacitatea maximă de 100% din timp, ce este măsurată în %.
Eficiența turbinei eoliene, indiferent de dimensiunile lor va depinde de mai mulți factori care influențează direct creșterea eficienței sau micșorarea ei și putem să-i împărțim în două clase mari:
Factorii Intrinseci mă refer la valoarea parametrilor constructivi sau se mai poate de numit și factorii tehnologici variabili care influențează eficiența turbinei eoliene.
Factoriii Extrinseci mă refer la principiile fizice valabile, factorii imuabili, la influența mediului, reliefului și fenomenelor naturale.
Obișnuit este cunoscut că puterea de ieșire a unei turbine eoliene depinde de dimensiunile turbinei, forma ei și viteza vântului, iar viteza vântului este un element crucial în proiectarea de performanță a turbinelor eoliene.
Eficiența pentru eoliene se referă de obicei la cantitatea de energie extrasă ca o fracțiune din energia totală disponibilă care traversează rotorul. Eficiența este o măsură foarte importantă pentru tehnologiile care utilizează combustibili care au anumite costuri, sunt limitate, sau prezintă o problemă de stocare și de lichidare a rezidurilor, cum ar fi; cărbunele, gazele sau cele nucleare. Dar în ceea ce privește turbinele eoliene pentru care combustibilul este gratuit și nelimitat, termenul de eficiență face confuzie și se folosesc alți termeni de caracterizare a Eficienței.
Suprafața Rotorului
Rotorul turbinei eoliene captează energia fluxului de aer, care se află în preajma lui. Din aceasta reiese, cu cât este mai mare suprafața directă de contact al rotorului cu fluxul de aer, cu atât mai multă energie acesta poate să prelucreze, convertească.
În majoritatea cazurilor HAWT va avea o zonă secțiune circulară în timp ce VAWT va avea o zonă dreptunghiulară.
Figura 1. Secțiunea circulară și dreptunghiulară conform modelulu:i HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine) – Turbină Eoliană Orizontală și VAWT (Vertical Axis Wind Turbine) – Turbină Eoliană Vericală
Suprafața unei turbine eoliene depinde de designul acesteia altfel spus și Coeficientul de Putere (CP) depinde de pătratul diametrului rotorului și de cubul vitezei. Odată cu creșterea diametrului, respectiv a înălțimii turnului, va crește și viteza vântului. La o primă vedere o simplă mărire a suprafeței rotorului ar fi cea mai ușoară cale de a mări cantitatea de captare a energiei cu turbina eoliană, dar o simplă mărire sau prelungire a palelor sau în general al dimensiunii suprafeței de captare a palelor mărim sarcina în timpul rotirii pe sistemele de susținere la aceeași viteză a vântului. Pentru ca sistemul să suporte toate sarcinile este nevoie să întărim și să consolidăm toate componentele mecanice și de suport. Și devine evident că o astfel de rezolvare a problemei are nevoie de cheltuieli financiare suplimentare.
Soliditatea – sau efectul numărului de pale, este un parametru esențial care definește turbina eoliană, acesta influențează major randamentul turbinei și valoarea raportului – Viteză – Rotire mai mult decăt alegerea profilului aerodinamic.
Soliditate mică – viteză mare și cuplu mic.
Soliditate mare – viteză mică și cuplu mare.
Optimul este atins de varianta construcției cu 3 pale.
Altă valoare adimisională importantă care depinde eficiența este Raportul Viteză – Rotire – Tipe Speed Ration (TSR) numit și coeficient de viteză al turbinei este raportul dintre viteza de rotație a vârfului unei lame și viteza reală a vântului.
Soliditate mică – TSR este mai mare.
Soliditate mare – TSR este mai mic.
Coeficienții aerodinamici - Tracțiunea vs Portanța
Performanțele și eficiența unei turbine eoliene depinde esențial de caracteristicile aerodinamice ale secțiunilor transversale și profilului aripii. La rândul lor, aceste caracteristici ale profilului sunt determinate de particularitățile lor geometrice, starea suprafeței aripii sau felul curgerii stratului limită.
Scopul unui profil aerodinamic este de a crea o forță de ridicare cât mai mare sau o forță portantă, având totodată o forță de rezistență la înaintare cât mai mică. De aici rezultă că pentru ca să se obțină portanță mereu trebuie să fie create condiții pentru forma profilului pentru a obține portanța și de la sine înțeles că forța de rezistență există permanent dar care de fiecare dată trebuie să fie micșorată.
Raportul portanță/rezistență la înaintare, este foarte importantă. Pentru a determina performanțele și eficiența unui model de turbină eolienă trebuie luate în considerare atât portanța cât și rezistența la înaintare a paletelor.
Odată cu schimbarea unghiului de atac, rezistența va crește constant. Pe măsură ce se apropie de unghiul critic rezistența la înaintare crește cu o rată mai mare. La viteza limită, ruperea curentului laminar și formarea de turbulențe, sau vârtejuri nedorite, crează o creștere foarte mare a rezistenței la înaintare.
Unghiul de atac care oferă cel mai bun raport portanță/rezistență este cel mai eficient unghi de atac.
Lamele volumetrice precum cele ce se utilizează pentru turbinele eoliene sunt mai eficiente ca cele plate, la cât? Cifra precisă lipsește, dar după coeficientul de utilizare a energiei vântului valorile ar arăta astfel: pentru vele = până la 14% (fără precizare de ce tip), pentru pale plate = până la 19% (fără precizarea profilului), pentru eoliene cu pale performante speciale volumetrice = până la 45% sau poate și până la limita teoretică Betz. În general, grosimea profilului secțiunii unei pale de eoliană este selectat pe un compromis dintre frecarea aerului, tracțiune și portanță.
Din figură rezultă că înafară de grosime se mai schimbă forma profilului.
