Efficienza della turbina eolica: 11 fatti rapidi completi

Turbina eolica la produzione di energia è un settore in crescita della generazione di elettricità; nel 2020, la capacità totale di energia eolica nel mondo è di 743 GW. Poiché gli impianti eolici producono meno inquinamento, la domanda per la generazione di energia eolica è in crescita.

L'efficienza di una turbina eolica dipende da molti fattori, come il tipo di turbina, la geometria delle pale, la velocità del vento disponibile ecc. Il 59% è l'efficienza massima che può essere raggiunta da una turbina eolica. L'efficienza pratica di una turbina eolica varia tra il 30 -45% e può salire al 50% durante i picchi di vento.

Se la turbina funziona al 100% di efficienza, la velocità del vento dopo aver colpito la turbina diventa zero, il che è impossibile.  

efficienza della turbina eolica
Turbina Windt Credito: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Windmills_D1-D4_(Thornton_Bank).jpg
Turbina eolica
Turbina eolica Credito:https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wind_turbine.gif

Formula di efficienza della turbina eolica

Il calcolo dell'efficienza è essenziale; l'efficienza aiuta a confrontare le prestazioni di diverse turbine eoliche e la velocità del vento ottimale per la massima efficienza.

Il coefficiente di potenza è la parola più comune per l'efficienza della turbina eolica. Il Cp è definito come,

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La quantità di elettricità prodotta da una turbina eolica può essere calcolata dalla potenza del generatore. L'equazione seguente calcola l'energia cinetica in ingresso,

Dove,

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A è l'area coperta della turbina eolica, V è la velocità del vento, ρ è la densità dell'aria.

Il valore di Cp varia rispetto alla velocità del vento; quindi l'efficienza della turbina eolica varia durante il funzionamento.

Inoltre, il Cp dipende dalle parti della turbina, cioè le pale della turbina, gli alberi e il generatore. Pertanto, la moltiplicazione dell'efficienza aerodinamica delle pale, dell'efficienza meccanica dell'albero e dell'efficienza elettrica del generatore forniscono il valore di Cp.

Massima efficienza della turbina eolica

La massima efficienza possibile della turbina eolica è proposta da Albert Betz, fisico tedesco, nel 1919. Fornisce informazioni sulla massima efficienza possibile della turbina.

Il limite di Betz mostra che il 59.3% è la massima efficienza possibile di una turbina eolica. Quindi il efficienza della turbina non supera mai il 59%, comprese tutte le altre perdite si arriva a un valore del 35-45% in casi pratici.  

Supponiamo che l'efficienza di una turbina eolica sia del 100%, il che significa che la turbina consuma tutta l'energia dell'aria. Se accade, la velocità dell'aria dopo aver superato la turbina diventa zero. Ciò significa che l'aria non scorre, il che ostacola l'ulteriore flusso d'aria. Quindi, questa è una situazione impossibile.

Ora, se la velocità dell'aria in ingresso e in uscita è la stessa, significa che non viene estratta energia, il che dà un'efficienza dello 0% alla turbina. Quindi l'efficienza massima possibile della turbina è compresa tra 0 e 100%, esclusi questi limiti.

Betz ha dimostrato che la massima efficienza possibile è del 59.3% per una turbina eolica con matematica e fisica dei solidi.

Tipi di turbine eoliche e loro efficienza

Una varietà di turbine eoliche è disponibile in base all'asse di rotazione e al design delle pale. La turbina eolica più comunemente usata è la turbina eolica ad asse orizzontale. Tuttavia, vengono utilizzati anche altri tipi di turbine per condizioni appropriate. I diversi tipi di turbine sono,

Discutiamo l'efficienza di queste turbine separatamente,

Efficienza delle turbine eoliche ad asse orizzontale (HAWT)

Le turbine eoliche ad asse orizzontale sono comunemente utilizzate per impianti di grandi dimensioni, dove è disponibile spazio e vento sufficienti. L'asse di rotazione della pala della turbina è parallelo alla superficie terrestre.

L'efficienza di HAWT varia tra il 35-50%. Attualmente, HAWT ha la massima efficienza.

L'energia eolica catturata dalla turbina eolica dipende dall'area coperta dalle pale della turbina. Per un HAWT, l'area è calcolata come segue,

A = πL2

Dove, L è la lunghezza della lama. La lunghezza varia dai 20 agli 80 metri.

Solitamente queste turbine eoliche vengono utilizzate per grandi impianti di produzione. La turbina eolica orizzontale più comune è a 3 pale e il colore delle turbine di solito è bianco per la visibilità in aereo.

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

Efficienza delle turbine eoliche ad asse verticale (VAWT)

Le turbine eoliche ad asse verticale sono comunemente utilizzate per la piccola produzione di energia in cui lo spazio è limitato. L'asse di rotazione delle pale delle turbine eoliche ad asse verticale è perpendicolare alla superficie terrestre.

L'efficienza di VAWT è inferiore rispetto a HAWT. 

Come discusso, l'efficienza dipende dall'area delle pale della turbina esposta al vento. Per VAWT, l'area esposta è,

A = DH

Dove D e H sono il diametro e l'altezza delle lame.

Sono disponibili diversi tipi di VAWT. La turbina eolica Darrius e la turbina eolica Savonius sono VAWT comuni. Le efficienze di questi due sono discusse di seguito.

Turbina eolica ad asse verticale offshore
Turbina eolica ad asse verticale. Credito: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1f/Vertical_Axis_Wind_Turbine_offshore.gif

Efficienza della turbina eolica Darrius

La turbina eolica Darrius è un VAWT.

L'efficienza della turbina eolica Darrius è compresa tra il 30-40%. L'utilizzo di queste turbine è limitato anche se queste hanno un'elevata efficienza principalmente a causa dell'impossibilità di avviarsi automaticamente.

La turbina Darrius è una turbina basata sull'ascensore. La figura mostra una turbina eolica Darrius. Come mostrato di seguito, un certo numero di pale a profilo alare sono montate su un albero verticale che ruota. Le pale sono sollecitate solo in tensione per queste turbine a causa della curvatura. Il design è stato sviluppato dall'ingegnere francese Georges Jean Marie Darrieus. Questi sono comunemente usati vicino all'habitat umano, sulla cima di un edificio o al centro di una strada. Tuttavia, la protezione della turbina è dura in condizioni estreme.

Darrieus rotore Ennabeuren 3256
Turbina eolica Darrius Credit: https://commons.wikimedia.org/wiki/File: Darrieus-Rotor_Ennabeuren-3256.jpg

Efficienza della turbina eolica Savonius

La turbina eolica Savonius è un diverso tipo di VAWT. Sfortunatamente, l'efficienza di queste turbine è molto bassa.

L'efficienza della turbina eolica Savonius varia tra il 10-17%. Anche se l'efficienza è molto bassa, a causa della struttura semplice e dell'affidabilità della turbina, queste vengono utilizzate per produrre una piccola quantità di energia elettrica in luoghi appropriati.  

La turbina Savonius è una turbina basata sulla resistenza. La figura mostra una vera turbina eolica Savonius. La vista dall'alto della lama è mostrata anche nella figura sottostante.

399px Turbina eolica Savonius
Turbina eolica Savonius Credito: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Savonius_wind_turbine.jpg
660px Savonius rotore it
Vista dall'alto della turbina eolica Savonius. Credito: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Savonius-rotor_en.svg

L'ingegnere finlandese Sigurd Johannes Savonius ha sviluppato il vento Savonius nel 1922. Esistono due tipi di design delle pale per la turbina eolica Savonius, il design a botte e il design del vento di ghiaccio. La turbina eolica a barile vista dall'alto è mostrata sopra. Le lame sono semicilindriche; le botti non si incontrano al centro; sono lontani dal centro, il che consente il libero movimento del vento nella pala.

Turbina eolica senza pale efficienza

Le turbine eoliche senza pale sono un tipo particolare di turbina eolica, queste turbine non hanno pale rotanti e la turbina funziona in base alla vibrazione indotta dal vortice.

L'efficienza di una turbina eolica senza pale è molto inferiore rispetto a qualsiasi altra turbina eolica. Tuttavia, la leggerezza, l'economicità e la minore manutenzione sono i vantaggi della turbina eolica senza pale. Inoltre, la turbina richiede meno spazio; quindi, possono essere installate più turbine rispetto alla normale turbina eolica.

Efficienza della turbina eolica Archimede

La turbina eolica Archimedes è una tecnologia di recente sviluppo. Queste sono piccole strutture e possono essere utilizzate sui tetti, sulle strade, ecc.

Rispetto alle turbine eoliche convenzionali, le turbine eoliche Archimede sono più efficienti. Inoltre, la turbina riduce molti altri problemi legati alle turbine convenzionali. 

Ad esempio, il rumore prodotto dalle turbine eoliche Archimedes è notevolmente inferiore rispetto alla turbina convenzionale. La forma della turbina è modellata in modo simile alla spirale di un guscio di Nautilus. Questa forma consente alla turbina di autoregolare la faccia della turbina in base al flusso del vento. 

Fattori che influenzano l'efficienza della turbina eolica

L'efficienza delle turbine eoliche è già stata discussa sopra, da cui i fattori che influenzano l'efficienza della turbina sono,

  • La velocità del vento.
  • La densità dell'aria.
  • Raggio della lama.
  • Tipo di turbina eolica

Confronto dell'efficienza delle turbine eoliche

Concludiamo qui l'efficienza della turbina eolica. L'efficienza della turbina eolica è riportata di seguito.

TurbinaEFFICIENZA
Turbina eolica ad asse orizzontale30-45
Turbina eolica ad asse verticale10-40
Turbina eolica Darrius30-40
Turbina eolica Savonius10-17
turbine eoliche senza paleMolto meno

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