Větrná turbína výroba energie je rostoucí oblastí výroby elektřiny; v roce 2020 je celková kapacita větrné energie na světě 743 GW. Vzhledem k tomu, že větrné elektrárny produkují méně znečištění, roste poptávka po výrobě větrné energie.
Účinnost větrné turbíny závisí na mnoha faktorech, jako je typ turbíny, geometrie lopatky, dostupná rychlost větru atd. 59% je maximální účinnost, které může větrná turbína dosáhnout. Praktická účinnost větrné turbíny se pohybuje mezi 30-45% a během špičkového větru může stoupnout až na 50%.
Pokud turbína pracuje se 100% účinností, rychlost větru po nárazu do turbíny se stane nulovou, což není možné.
Vzorec účinnosti větrné turbíny
Výpočet účinnosti je zásadní; účinnost pomáhá porovnávat výkon různých větrných turbín a optimální rychlost větru pro maximální účinnost.
Koeficient výkonu je běžnějším slovem pro účinnost větrné turbíny. Cp je definována jako,
Množství elektřiny vyrobené větrnou turbínou lze vypočítat z výkonu generátoru. Níže uvedená rovnice vypočítá vstupní kinetickou energii,
Kde,
A je krytá oblast větrné turbíny, V je rychlost větru, ρ je hustota vzduchu.
Hodnota Cp se mění s ohledem na rychlost větru; proto se účinnost větrné turbíny během provozu mění.
Cp dále závisí na částech turbíny, tj. Lopatkách turbíny, hřídelích a generátoru. Znásobení aerodynamické účinnosti lopatek, mechanické účinnosti hřídele a elektrické účinnosti generátoru proto poskytuje hodnotu Cp.
Maximální účinnost větrné turbíny
Maximální možnou účinnost větrné turbíny navrhl Albert Betz, německý fyzik, v roce 1919. náhled na maximální možnou účinnost turbíny.
Betzův limit ukazuje, že 59.3 % je maximální možná účinnost větrné turbíny. Proto, účinnost turbíny nikdy nepřekročí 59 %, včetně všech ostatních ztrát se v praktických případech dostává na hodnotu 35-45 %.
Předpokládejme, že účinnost větrné turbíny je 100%, což znamená, že turbína spotřebovává veškerou energii vzduchu. Pokud k tomu dojde, rychlost vzduchu po průchodu turbínou se stane nulovou. To znamená, že vzduch neproudí, což brání dalšímu proudění vzduchu. To je tedy nemožná situace.
Pokud jsou rychlost vstupního a výstupního vzduchu stejná, znamená to, že není odebírána žádná energie, což dává 0% účinnost turbíny. Maximální možná účinnost turbíny je tedy někde mezi 0 a 100%, s výjimkou těchto limitů.
Betz dokázal, že maximální možná účinnost je 59.3% pro větrnou turbínu s matematikou a pevnou fyzikou.
Druhy větrných turbín a jejich účinnost
Podle osy otáčení a konstrukce lopatek je k dispozici řada větrných turbín. Nejčastěji používanou větrnou turbínou je větrná turbína s horizontální osou. Pro vhodné podmínky se však používají i jiné druhy turbín. Různé typy turbín jsou,
Pojďme diskutovat o účinnosti těchto turbín samostatně,
Účinnost větrné turbíny s horizontální osou (HAWT)
Větrné turbíny s horizontální osou se běžně používají pro velké závody, kde je k dispozici dostatek prostoru a větru. Osa otáčení lopatky turbíny je rovnoběžná se zemským povrchem.
Účinnost HAWT se pohybuje mezi 35-50%. V současné době má HAWT nejvyšší účinnost.
Zachycená energie větru větrnou turbínou závisí na oblasti pokryté lopatkami turbíny. U HAWT se plocha vypočítá následovně,
A = πL2
Kde L je délka čepele. Délka se pohybuje mezi 20 až 80 metry.
Většinou se tyto větrné turbíny používají pro velké výrobní závody. Nejběžnější horizontální větrná turbína má 3 lopatky a barva turbín je obvykle bílá pro viditelnost letadlem.
Účinnost vertikální osy větrné turbíny (VAWT)
Větrné turbíny s vertikální osou se běžně používají pro malou výrobu energie, kde je prostor omezen. Osa otáčení lopatek větrných turbín s vertikální osou je kolmá na zemský povrch.
Účinnost VAWT je ve srovnání s HAWT menší.
Jak bylo diskutováno, účinnost závisí na oblasti lopatek turbíny vystavených větru. U VAWT je exponovaná oblast,
A = DH
Kde D a H jsou průměr a výška lopatek.
K dispozici jsou různé druhy VAWT. Větrná turbína Darrius a větrná turbína Savonius jsou běžné VAWT. Účinnosti těchto dvou jsou diskutovány níže.
Účinnost větrné turbíny Darrius
Větrná turbína Darrius je VAWT.
Účinnost větrné turbíny Darrius se pohybuje mezi 30–40%. Využití těchto turbín je omezené, přestože mají vysokou účinnost, zejména kvůli neschopnosti vlastního spuštění.
Turbína Darrius je turbína založená na výtahu. Na obrázku je větrná turbína Darrius. Jak je ukázáno níže, řada lopatek křídlových křídel je namontována na vertikální hřídel, která se otáčí. Lopatky jsou u těchto turbín namáhány pouze v napětí kvůli zakřivení. Design vyvinul francouzský inženýr Georges Jean Marie Darrieus. Ty se běžně používají v blízkosti lidských stanovišť, v horní části budovy nebo ve středu silnice. Ochrana turbíny je však v extrémních podmínkách tvrdá.
Účinnost větrné turbíny Savonius
Větrná turbína Savonius je jiný typ VAWT. Účinnost těchto turbín je bohužel velmi nízká.
Účinnost větrné turbíny Savonius se pohybuje mezi 10-17%. I když je účinnost velmi nízká, díky jednoduché konstrukci a spolehlivosti turbíny se tyto používají k výrobě malého množství elektřiny na příslušných místech.
Savoniova turbína je turbína založená na odporu. Obrázek ukazuje skutečnou větrnou turbínu Savonius. Pohled shora na čepel je také znázorněn na obrázku níže.
Finský inženýr Sigurd Johannes Savonius vyvinul vítr Savonius v roce 1922. Existují dva typy lopatkových designů pro větrné turbíny Savonius, sudové provedení a design ledového větru. Pohled shora na sudovou větrnou turbínu je uveden výše. Čepele jsou poloválcovité; sudy se nesetkávají ve středu; jsou daleko od středu, což umožňuje volný pohyb větru v lopatce.
Větrná turbína bez lopatek účinnost
Bezlopatkové větrné turbíny jsou zvláštním typem větrné turbíny, tyto turbíny nemají otáčející se lopatky a turbína funguje na základě vibrací vyvolaných vortexem.
Účinnost bezlopatkové větrné turbíny je ve srovnání s jakoukoli jinou větrnou turbínou velmi malá. Nízká hmotnost, hospodárnost a menší údržba jsou však přednosti bezlopatkové větrné turbíny. Turbína navíc vyžaduje méně místa; proto lze nainstalovat více turbín než obvyklé větrné turbíny.
Účinnost větrné turbíny Archimedes
Větrná turbína Archimedes je nedávno vyvinutá technologie. Jedná se o malé stavby, které lze použít na střechách, silnicích atd.
Ve srovnání s konvenčními větrnými turbínami jsou větrné turbíny Archimedes účinnější. Turbína navíc snižuje mnoho dalších problémů souvisejících s konvenčními turbínami.
Například hluk vytvářený větrnými turbínami Archimedes je ve srovnání s konvenční turbínou výrazně menší. Tvar turbíny je modelován podobně jako spirála skořápky Nautilus. Tento tvar umožňuje turbíně samočinně upravit čelo turbíny podle proudu větru.
Faktory ovlivňující účinnost větrné turbíny
Účinnost větrných turbín je již diskutována výše, z toho faktory ovlivňující účinnost turbíny jsou,
- Rychlost větru.
- Hustota vzduchu.
- Rádius čepele.
- Typ větrné turbíny
Porovnání účinnosti větrné turbíny
Pojďme zde uzavřít účinnost větrné turbíny. Účinnost větrné turbíny je uvedena v tabulce níže.
| Turbína | Účinnost |
| Větrná turbína s horizontální osou | 30-45 |
| Svislá osa větrné turbíny | 10-40 |
| Větrná turbína Darrius | 30-40 |
| Savoniova větrná turbína | 10-17 |
| bezlopatkové větrné turbíny | Velmi méně |
Další příspěvky o strojírenství najdete na našem webu Mechanická stránka
Základní tým TechieScience pro malé a střední podniky je skupina zkušených odborníků z různých vědeckých a technických oborů včetně fyziky, chemie, technologie, elektroniky a elektrotechniky, automobilového průmyslu a strojního inženýrství. Náš tým spolupracuje na vytváření vysoce kvalitních, dobře prozkoumaných článků o široké škále vědeckých a technologických témat pro web TechieScience.com.
Všechny naše senior SME mají více než 7 let zkušeností v příslušných oborech. Jsou to buď profesionálové z pracovního průmyslu, nebo jsou spojeni s různými univerzitami. Odkazovat Naši autoři Stránka, kde se dozvíte o našich základních malých a středních podnicích.
Ahoj kolego čtenáři,
Jsme malý tým v Techiescience, tvrdě pracujeme mezi velkými hráči. Pokud se vám líbí, co vidíte, sdílejte náš obsah na sociálních sítích. Vaše podpora znamená velký rozdíl. Děkuji!