Windturbine-doeltreffendheid: 11 volledige vinnige feite


Wind turbine energieproduksie is 'n groeiende veld van elektrisiteitsopwekking; in 2020 is die totale windkragkapasiteit in die wêreld 743GW. Aangesien die windaanlegte minder besoedeling produseer, neem die vraag na windkragopwekking toe.

Die doeltreffendheid van 'n windturbine hang af van baie faktore, soos die tipe turbine, die lemgeometrie, beskikbare windsnelheid, ens. 59% is die maksimum doeltreffendheid wat deur 'n windturbine bereik kan word. Die praktiese doeltreffendheid van 'n windturbine wissel tussen 30 -45%, en dit kan tot 50% styg tydens spitswind.

As die turbine teen 100% doeltreffendheid werk, word die windspoed na die slaan van die turbine nul, wat onmoontlik is.  

windturbine doeltreffendheid
Windt turbine Krediet: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Windmills_D1-D4_(Thornton_Bank).jpg
Windturbine Krediet: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wind_turbine.gif

Windturbine doeltreffendheid formule

Die berekening van doeltreffendheid is noodsaaklik; die doeltreffendheid help om die werkverrigting van verskillende windturbines en optimale windspoed te vergelyk vir maksimum doeltreffendheid.

Koëffisiënt van krag is die meer algemene woord vir doeltreffendheid van die windturbine. Die Cp word gedefinieer as,

Die hoeveelheid elektrisiteit wat deur 'n windturbine geproduseer word, kan uit die kragopwekkeruitset bereken word. Die onderstaande vergelyking bereken die inset kinetiese energie,

waar,

A is die bedekte area van die windturbine, V is die windspoed, ρ is die lugdigtheid.

Die Cp-waarde wissel met betrekking tot die windspoed; dus wissel die doeltreffendheid van die windturbine terwyl dit werk.

Verder is die Cp afhanklik van turbineonderdele, dws die turbinelemme, asse en kragopwekker. Daarom verskaf die vermenigvuldiging van aërodinamiese doeltreffendheid van lemme, meganiese doeltreffendheid van die as en elektriese doeltreffendheid van kragopwekker die waarde van Cp.

Maksimum doeltreffendheid van windturbine

Die maksimum moontlike doeltreffendheid van die windturbine word voorgestel deur Albert Betz, 'n Duitse fisikus, in 1919. Dit verskaf insig in die maksimum moontlike turbinedoeltreffendheid.

Die Betz se limiet wys dat 59.3% die maksimum moontlike doeltreffendheid van 'n windturbine is. Vandaar, die turbine doeltreffendheid nooit meer as 59%, insluitend alle ander verliese dit kom op 35-45% waarde in praktiese gevalle.  

Kom ons neem aan dat die doeltreffendheid van 'n windturbine 100% is, wat beteken dat die turbine al die lugenergie verbruik. As dit gebeur, word die snelheid van lug na verby die turbine nul. Dit beteken die lug vloei nie, wat die verdere vloei van lug belemmer. Dit is dus 'n onmoontlike situasie.

Nou, as die inlaat- en uitlaatlugsnelheid dieselfde is, beteken dit dat geen energie onttrek word nie, wat 0% doeltreffendheid aan die turbine gee. Gevolglik is die maksimum moontlike turbine-doeltreffendheid iewers tussen 0 en 100%, hierdie perke uitgesluit.

Betz het bewys dat die maksimum moontlike doeltreffendheid 59.3% is vir 'n windturbine met wiskunde en soliede fisika.

Tipes windturbines en hul doeltreffendheid

'n Verskeidenheid windturbines is beskikbaar volgens die rotasie-as en ontwerp van lemme. Die mees algemeen gebruikte windturbine is die horisontale as windturbine. Ander soorte turbines word egter ook vir geskikte toestande gebruik. Die verskillende tipes turbines is,

Kom ons bespreek die doeltreffendheid van hierdie turbines afsonderlik,

Horisontale as windturbine (HAWT) doeltreffendheid

Die horisontale as windturbines word algemeen gebruik vir groot aanlegte, waar genoeg spasie en wind beskikbaar is. Die rotasie-as van die turbinelem is parallel met die aardoppervlak.

Die doeltreffendheid van HAWT wissel tussen 35-50%. Tans het HAWT die hoogste doeltreffendheid.

Die windenergie wat deur windturbines opgeneem word, hang af van die area wat deur die turbinelemme gedek word. Vir 'n HAWT word die oppervlakte soos volg bereken,

A = πL2

Waar L die lengte van die lem is. Die lengte wissel tussen 20 en 80 meter.

Gewoonlik word hierdie windturbines vir groot produksie-aanlegte gebruik. Mees algemene horisontale windturbine is 3 lemme, en die kleur van turbines gewoonlik wit vir sigbaarheid deur vliegtuie.

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

Vertikale as windturbine (VAWT) doeltreffendheid

Die vertikale-as windturbines word algemeen gebruik vir klein energieproduksie waar die spasie beperk is. Die rotasie-as van lemme van windturbines met vertikale as is loodreg op die aardoppervlak.

Die doeltreffendheid van VAWT is minder in vergelyking met HAWT. 

Soos bespreek, hang die doeltreffendheid af van die area van turbinelemme wat aan wind blootgestel is. Vir VAWT is die blootgestelde area,

A = DH

Waar D en H die deursnee en hoogte van die lemme is.

Verskillende soorte VAWT is beskikbaar. Darrius-windturbine en Savonius-windturbine is algemene VAWT. Die doeltreffendheid van hierdie twee word hieronder bespreek.

Vertikale as windturbine. Krediet: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1f/Vertical_Axis_Wind_Turbine_offshore.gif

Darrius windturbine doeltreffendheid

Darrius windturbine is 'n VAWT.

Die doeltreffendheid van die Darrius-windturbine is tussen 30-40%. Die gebruik van hierdie turbines is beperk, al het hulle hoë doeltreffendheid hoofsaaklik as gevolg van die onvermoë om self te begin.

Darrius-turbine is 'n hysbak-gebaseerde turbine. Die figuur toon 'n Darrius-windturbine. Soos hieronder getoon, is 'n aantal vleuellemme op 'n vertikale as wat roteer gemonteer. Die lemme word slegs in spanning vir hierdie turbines gespanne as gevolg van die kromming. Die ontwerp is ontwikkel deur die Franse ingenieur Georges Jean Marie Darrieus. Dit word algemeen gebruik naby menslike habitat, bo-op 'n gebou of in die middel van 'n pad. Die beskerming van die turbine is egter taai in uiterste toestande.

Darrius windturbine Krediet: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Darrieus-Rotor_Ennabeuren-3256.jpg

Savonius windturbine doeltreffendheid

Savonius windturbine is 'n ander tipe VAWT. Ongelukkig is die doeltreffendheid van hierdie turbines baie laag.

Die doeltreffendheid van die Savonius-windturbine wissel tussen 10-17%. Al is die doeltreffendheid baie laag, word dit as gevolg van die eenvoudige struktuur en betroubaarheid van die turbine gebruik om 'n klein hoeveelheid elektrisiteit op geskikte plekke te produseer.  

Savonius-turbine is 'n sleep-gebaseerde turbine. Die figuur toon 'n werklike Savonius-windturbine. Die boaansig van die lem word ook in die onderstaande figuur getoon.

Savonius windturbine Krediet: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Savonius_wind_turbine.jpg
Boaansig van Savonius windturbine. Krediet: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Savonius-rotor_en.svg

Die Finse ingenieur Sigurd Johannes Savonius het die Savonius-wind in 1922 ontwikkel. Daar is twee tipes lemontwerp vir Savonius-windturbines, vatontwerp en yswindontwerp. Die boaansig vat windturbine word hierbo getoon. Die lemme is halfsilindries; die vate ontmoet nie in die middel nie; hulle is weg van die middel, wat die vrye beweging van wind in die lem moontlik maak.

Bladlose windturbine doeltreffendheid

Die lemlose windturbines is 'n spesifieke soort windturbine, hierdie turbines het nie roterende lemme nie, en die turbine werk gebaseer op draaikolk-geïnduseerde vibrasie.

Die doeltreffendheid van 'n lemlose windturbine is baie minder in vergelyking met enige ander windturbine. Liggewig, kostedoeltreffendheid en minder onderhoud is egter die voordele van die lemlose windturbine. Boonop benodig die turbine minder spasie; dus kan meer turbines geïnstalleer word as die gewone windturbine.

Archimedes windturbine doeltreffendheid

Archimedes windturbine is 'n onlangs ontwikkelde tegnologie. Dit is klein strukture en kan op dakke, op paaie, ens.

In vergelyking met konvensionele windturbines is Archimedes-windturbines meer doeltreffend. Daarbenewens verminder die turbine baie ander probleme wat met konvensionele turbines verband hou. 

Byvoorbeeld, die geraas wat deur Archimedes-windturbines geproduseer word, is aansienlik minder in vergelyking met die konvensionele turbine. Die vorm van die turbine is soortgelyk aan die spiraal van 'n Nautilus-dop gemodelleer. Hierdie vorm stel die turbine in staat om die turbinevlak self aan te pas volgens die windvloei. 

Faktore wat windturbinedoeltreffendheid beïnvloed

Die doeltreffendheid van windturbines is reeds hierbo bespreek, vandat die faktore wat turbine-doeltreffendheid beïnvloed, is,

  • Die windspoed.
  • Die lugdigtheid.
  • Blad radius.
  • Tipe windturbine

Windturbine doeltreffendheid vergelyking

Kom ons sluit die windturbinedoeltreffendheid hier af. Die windturbinedoeltreffendheid word hieronder getabelleer.

TurbineDoeltreffendheid
Horisontale as windturbine30-45
Vertikale as windturbine10-40
Darrius windturbine30-40
Savonius windturbine10-17
lemlose windturbinesBaie minder

Vir meer plasings oor Meganiese Ingenieurswese, volg asseblief ons Meganiese bladsy

Onlangse plasings