Projetos de turbinas eólicas. Programa de projetos de turbinas eólicas - projeto e verificação de cálculos aerodinâmicos de uma turbina eólica - arquivo relatório técnico.doc

O crescimento da produção de energia através da utilização de recursos naturais não renováveis ​​é limitado pelo limiar além do qual existe uma produção plena de matérias-primas. A energia alternativa, incluindo a energia eólica, reduzirá a carga sobre o ambiente.

O movimento de qualquer massa, incluindo o ar, gera energia. A turbina eólica converte a energia cinética do fluxo de ar em energia mecânica. Este dispositivo é a base da energia eólica, uma direção alternativa no uso dos recursos naturais.

Eficiência

É bastante simples avaliar a eficiência energética de uma unidade de um determinado tipo e design e compará-la com o desempenho de motores semelhantes. É necessário determinar o coeficiente de aproveitamento da energia eólica (KIEV). É calculado como a razão entre a potência recebida no eixo da turbina eólica e a potência do fluxo de vento que atua na superfície da roda eólica.

O fator de utilização da energia eólica para diversas instalações varia de 5 a 40%. A avaliação ficará incompleta se não tiver em conta os custos de concepção e construção da instalação, a quantidade e o custo da electricidade gerada. Nas energias alternativas, o período de retorno de uma turbina eólica é um factor importante, mas também é necessário ter em conta o efeito ambiental resultante.

Classificação

As turbinas eólicas de acordo com os princípios de aproveitamento da energia gerada são divididas em duas classes:
linear;
cíclico.

Tipo linear

Uma turbina eólica linear ou móvel converte a energia do fluxo de ar em energia mecânica de movimento. Pode ser uma vela, uma asa. Do ponto de vista da engenharia, esta não é uma turbina eólica, mas sim um motor.

Tipo cíclico

Nos motores cíclicos, o próprio corpo fica estacionário. O fluxo de ar gira, fazendo movimentos cíclicos, suas partes funcionais. A energia mecânica de rotação é mais adequada para a geração de eletricidade, uma forma universal de energia. As turbinas eólicas são chamadas de turbinas eólicas cíclicas. As rodas eólicas, que vão desde antigos moinhos de vento até modernas turbinas eólicas, diferem nas soluções de design, na integralidade do aproveitamento da força do fluxo de ar. Os dispositivos são divididos em alta e baixa velocidade, bem como de acordo com o sentido horizontal ou vertical do eixo de rotação do rotor.

Horizontal

As turbinas eólicas com eixo de rotação horizontal são chamadas de turbinas de palhetas. Várias pás (asas) e um volante são fixados no eixo do rotor. O próprio eixo está localizado horizontalmente. Os principais elementos do dispositivo: roda eólica, cabeça, cauda e torre. A roda eólica é montada em uma cabeça girando em torno de um eixo vertical, na qual é fixado o eixo do motor e são colocados mecanismos de transmissão. A cauda desempenha o papel de cata-vento, girando a cabeça com uma roda de vento contra a direção do fluxo do vento.

Em altas velocidades de movimento dos fluxos de ar (15 m/s e acima), é racional usar turbinas eólicas horizontais de alta velocidade. Duas, três unidades de lâminas dos principais fabricantes fornecem ao KIEV 30%. Uma turbina eólica caseira tem uma taxa de utilização do fluxo de ar de até 20%. A eficiência do dispositivo depende do cálculo cuidadoso e da qualidade da fabricação das lâminas.

Turbinas eólicas de palhetas e turbinas eólicas proporcionam uma alta velocidade de rotação do eixo, o que permite transferir energia diretamente para o eixo do gerador. Uma desvantagem significativa é que, com ventos fracos, essas turbinas eólicas não funcionarão de todo. Existem problemas de lançamento quando se passa de ausência de vento para ventos fortes.

Os motores horizontais de baixa velocidade possuem um maior número de pás. Uma área significativa de interação com o fluxo de ar os torna mais eficientes em ventos fracos. Mas as instalações apresentam um vento significativo, o que exige a tomada de medidas para protegê-las das rajadas de vento. O melhor indicador do KIEV é 15%. Em escala industrial, tais instalações não são utilizadas.

Carrossel vertical

Nesses dispositivos, no eixo vertical da roda (rotor), são instaladas pás que recebem o fluxo de ar. A carcaça e o sistema de amortecedor garantem que o fluxo do vento atinja metade da roda eólica, e o momento de aplicação de força resultante garante a rotação do rotor.

Em comparação com unidades de palhetas, uma turbina eólica carrossel gera mais torque. Com o aumento da vazão de ar, ele entra rapidamente no modo de operação (em termos de força de tração) e se estabiliza em termos de velocidade de rotação. Mas essas unidades são lentas. Para converter a rotação do eixo em energia elétrica, é necessário um gerador especial (multipolar), capaz de operar em baixas velocidades. Geradores deste tipo não são muito comuns. O uso do sistema de caixa de câmbio é limitado pela baixa eficiência.

As turbinas eólicas carrossel são mais fáceis de operar. O próprio design fornece regulação automática do número de rotações do rotor, permitindo rastrear a direção do vento.

Vertical: ortogonal

Para grande geração de energia, turbinas eólicas ortogonais e turbinas eólicas são as mais promissoras. A faixa de utilização dessas unidades, de acordo com a velocidade do vento, é de 5 a 16 m/s. A potência gerada por eles foi aumentada para 50.000 kW. O perfil da pá de uma instalação ortogonal é semelhante ao perfil das asas de um avião. Para que a asa comece a funcionar é necessário aplicar nela um jato de ar, como durante a decolagem de uma aeronave. A turbina eólica também precisa ser destorcida previamente, gastando energia. Após esta condição ser atendida, a unidade muda para o modo gerador.

conclusões

A energia eólica é uma das fontes de energia renováveis ​​mais promissoras. A experiência de uso industrial de turbinas eólicas e aerogeradores mostra que a eficiência depende da colocação das turbinas eólicas em locais com fluxo de ar favorável. A utilização de materiais modernos na construção das unidades, a utilização de novos esquemas de geração e acumulação de eletricidade irão melhorar ainda mais a fiabilidade e a eficiência energética das turbinas eólicas.

As asas da turbina eólica são a parte mais importante de um moinho de vento. A potência e a velocidade do gerador eólico dependem do formato de suas pás.

Nesta brochura não nos deteremos no cálculo de novas asas devido à complexidade desta tarefa, mas utilizaremos asas prontas que possuem um determinado formato e se caracterizam por um alto coeficiente de aproveitamento de energia eólica e alta velocidade. Precisamos apenas resolver a questão de como determinar as dimensões das novas asas para a potência desejada, com base nas dimensões das asas conhecidas, mantendo suas características originais.

Tomemos como moinhos de vento de baixa potência uma roda eólica de duas pás de alta velocidade com as seguintes características conhecidas na prática:

Fator de utilização de energia eólica ……………………………0,35

Sob a velocidade da roda eólica, deve-se entender a relação entre a velocidade circunferencial da extremidade da pá e a velocidade do vento.

Tomando a mesma velocidade, igual a 7, para rodas eólicas de diâmetros diferentes, obteremos diferentes velocidades de rodas eólicas na mesma velocidade do vento. A roda eólica com o menor diâmetro desenvolverá a velocidade mais alta. Em geral, as revoluções das rodas eólicas com velocidades iguais se relacionarão entre si na proporção inversa aos seus diâmetros, ou seja,

Isso significa que uma roda eólica com diâmetro D 1 fará rotações por minuto tantas vezes quanto o diâmetro desta roda eólica D 1 for menor que o diâmetro D 2 de outra roda eólica. Por exemplo, se uma roda eólica com diâmetro de 1,5 m faz 714 rpm, então uma roda eólica com diâmetro de 3 m fará 357 rpm, ou seja, duas vezes menos, embora suas velocidades sejam as mesmas.

Para comodidade de calcular o tamanho das pás de turbinas eólicas de diferentes diâmetros, mas com a mesma velocidade na Tabela. A Figura 4 mostra as dimensões de uma roda eólica de duas pás com diâmetro de 1 m. No topo da tabela há um desenho da pá com designações de letras de suas dimensões, e abaixo da figura da tabela estão os valores numéricos ​dessas dimensões.

À esquerda em 4 colunas estão as dimensões da lâmina da figura da esquerda; à direita, em 10 colunas, são dadas as dimensões dos cinco perfis desta lâmina. A forma de definir as dimensões do perfil é mostrada na figura da tabela à direita.

Para cumprir a característica aceita da roda eólica com alteração do seu diâmetro, é necessário alterar todas as dimensões dessas pás da mesma forma que alteramos o diâmetro da roda eólica. Ao mesmo tempo, observaremos semelhança geométrica, sem a qual seria impossível utilizar este método de recálculo.

Já a roda eólica com as dimensões indicadas na Tabela. 4 tem um diâmetro de 1 m, então a razão entre o diâmetro da outra roda eólica e a unidade será igual a D, ou seja,

Portanto, para obter as dimensões de uma pá de turbina eólica com diâmetro diferente, cada dimensão dada na Tabela 4, multiplique pelo valor deste diâmetro. Apenas os ângulos de cunha de cada seção da lâmina e seu número devem permanecer inalterados. Por exemplo, para uma roda eólica com diâmetro de 1,2 m, cada tamanho da mesa. 4 vezes 1,2, obtemos:

Clique na tabela para ampliá-la

Para obter o formato final da lâmina, é necessário o tamanho, p

calculado na tabela. 5, desenhe pontos para cinco perfis de lâmina em uma folha de papel e circule os contornos sobre os pontos usando um padrão, como mostrado na Fig. 13. Os perfis de cada seção são desenhados em tamanho real para que possam ser utilizados para cortar gabaritos durante a fabricação da lâmina.

Para um gerador com potência de 1 kW, é necessária uma roda eólica com diâmetro de 3,5 m. 4 multiplique as dimensões de uma roda eólica com diâmetro de 1 m por 3,5 e faça uma mesa, para depois desenhar os perfis das pás que serão necessários na fabricação.

A potência e a velocidade das turbinas eólicas de duas pás com as características acima são fornecidas na Tabela. 6.

Esta tabela deve ser utilizada na escolha do diâmetro de uma roda eólica de uma determinada potência e na determinação da relação de transmissão da caixa de engrenagens, caso as rotações do gerador sejam superiores às revoluções da roda eólica desenvolvidas por ele a uma velocidade do vento de 8 m /s.

Por exemplo, ao usar um gerador GBF do tipo automotivo com potência de 60 W a 900 rpm para um gerador de energia eólica, uma roda eólica com D = 1,2 m e potência de 0,169 litros é adequada. Com. a 895 rpm (ver as duas primeiras linhas da Tabela 6).

Neste caso, a roda eólica pode ser fixada no eixo do gerador. Acontece a turbina eólica mais simples e conveniente em operação.

Se planejássemos construir uma usina eólica de 400 watts, seria necessário usar uma roda eólica de 3 m de diâmetro, que desenvolve 1.060 hp a uma velocidade de vento de 8 m/s. Com. ou 1,060 X 0,736 = 0,78 kW. Tomando a eficiência do gerador igual a 0,5, obtemos:

Uma roda eólica com velocidade de vento de 8 m/s desenvolve 357 rpm, e um gerador com potência de 390 watts requer 1.000 rpm. Portanto, neste caso, é necessária uma caixa de câmbio para aumentar a velocidade na transmissão da roda eólica para o gerador. A caixa de câmbio deve aumentar a velocidade em relação a.

O valor de 2,8 é chamado de relação de transmissão. Usando esta relação, o número de dentes da engrenagem da caixa de engrenagens é determinado. Por exemplo, se assumirmos que a engrenagem montada no eixo do gerador tem 16 dentes, então a engrenagem motriz assentada no eixo da turbina eólica deveria ter

Os cataventos de alta velocidade sofrem de uma desvantagem muito significativa, que é que arrancam mal, portanto, só podem começar a trabalhar com ventos de alta velocidade.

Parece para muitos engenheiros eólicos novatos que quanto mais pás uma roda eólica tiver, mais potência ela desenvolverá. Esta visão é errônea. Duas rodas eólicas de pás pequenas e múltiplas pás com pás igualmente bem construídas e com os mesmos diâmetros da superfície varrida desenvolverão a mesma potência. Isso se explica pelo fato de que, por serem igualmente bem executados, seus coeficientes de aproveitamento de energia eólica serão iguais, ou seja, transferirão a mesma quantidade de energia para a máquina em funcionamento. As quantidades de energia eólica que chega a ambos os rotores são iguais, uma vez que suas superfícies varridas são iguais. Quanto às revoluções, serão tanto maiores quanto menores forem as pás, se tiverem a mesma largura para ambos os aerogeradores; por outras palavras, quanto maior for o número de revoluções, menor será a superfície total das pás que formam a superfície varrida.

Como determinar o tamanho das asas de um moinho de vento caseiro (gerador eólico) para uma determinada potência

Cálculo de pás de turbinas eólicas

Sobre o ângulo de ataque ideal de um moinho de hélice

Nos métodos de cálculo dos moinhos de vento, há recomendação de definir o ângulo de ataque, no qual é alcançada a máxima qualidade aerodinâmica da pá. Aqueles. propõe-se construir uma tangente ao polar a partir da origem das coordenadas, e tomar as coordenadas do ponto de contato como as iniciais para o cálculo do moinho de vento. Muito provavelmente, isso se refere a uma analogia com a aviação, onde com um aumento na relação entre sustentação e arrasto, a duração do planeio de uma aeronave aumenta. Ou propõe-se a utilização de lâminas com sustentação máxima. O trabalho do moinho de vento ocorre de acordo com outras leis.

Arroz. 1 Forças aerodinâmicas em um moinho de vento

A Figura 1 mostra um diagrama do efeito das forças aerodinâmicas na pá. Ao se aproximar do moinho de vento, a velocidade do vento diminui em um determinado valor a, que, segundo a teoria de Zhukovsky (Betz), é 2/3, e segundo a teoria de Sabinin, 0,586. O movimento circunferencial das pás fornece um componente de velocidade adicional, que pode ser encontrado se as pás forem consideradas estacionárias e o ar se movendo na direção oposta da rotação. Esses dois componentes são somados de acordo com a regra do triângulo e fornecem o vetor total de fluxo no plano da turbina eólica. O ângulo de velocidade ψ é determinado pela razão a/Z e não depende da velocidade do vento:

Aqui e abaixo todos os cálculos são feitos para a ponta da lâmina. Para as demais seções, é necessário substituir em todas as fórmulas Z pela expressão Zr/R, onde Z é a velocidade determinada como a razão entre a velocidade do vento e a velocidade da ponta da pá; R é o raio do moinho de vento; r é o raio da seção selecionada.

O ângulo de velocidade ψ é a soma do ângulo de ataque α e do ângulo da lâmina β. O ângulo de ataque é encontrado de acordo com as características da pá, portanto, dada a velocidade do moinho de vento, é possível tornar inequívoca a tarefa de cálculo das pás.

O fluxo na pá causa duas forças: a força de arrasto X, direcionada ao fluxo, e a força de sustentação Y, perpendicular a ele.

C X , C Y são coeficientes de arrasto e sustentação;

ρ é a densidade do ar;

S é a área do elemento lâmina;

V emb. - o valor do vetor de incursão, que por sua vez é igual a:

O último termo entre parênteses é muito pequeno e em moinhos de vento de alta velocidade a velocidade de avanço é quase igual à velocidade circunferencial da pá.

A força circunferencial é obtida como a diferença entre a projeção da força de sustentação e a projeção do arrasto no plano de rotação.

A expressão entre colchetes pode ser chamada de coeficiente aerodinâmico da força circunferencial ou, resumidamente, coeficiente circunferencial

A potência de uma turbina eólica é o produto da força circunferencial vezes a velocidade circunferencial.

Esta fórmula não dá a potência do moinho de vento, mas sim a potência do elemento da pá localizado na ponta. A potência do moinho de vento é calculada integrando o raio, mas o objetivo do artigo é diferente.)

Considere a lâmina polar na Fig.2.

Arroz. 2 Encontrando o coeficiente de força circunferencial.

Desenhe uma tangente ao polar OA. E construiremos uma linha de velocidade OZ , que é dada pela equação

Aqueles. a linha de velocidade forma o ângulo de velocidade ψ com o eixo Cy, que foi considerado anteriormente.

OB é igual à quantidade de sustentação no ponto A. Portanto:

O ângulo ABD é igual ao ângulo ψ, e a hipotenusa AB é o coeficiente de arrasto no ponto A. Portanto, a perna BD é igual a:

Segmento DE é a diferença de dois segmentos

O resultado é a mesma expressão da fórmula da potência do moinho eólico. Todos os outros componentes da fórmula de potência são dados, portanto a potência é determinada por este segmento ou, em outras palavras, a distância da linha de alta velocidade OZ ao ponto de operação. Pode ser visto no gráfico que o coeficiente Cab é máximo no ponto onde a linha de velocidade Z' toca o polar, e não no ponto de máxima relação sustentação-arrasto. Portanto, tendo solicitado velocidade e construído uma linha de alta velocidade, você pode analisar visualmente o funcionamento de um moinho de vento.

Perfil TsAGI R-ll-12

Na fig. A Figura 3 mostra o perfil TsAGI P-ll-12 sobreposto para comparação ao popular perfil CLARK-Y em moinhos de vento. 4

Arroz. 3 perfis TsAGI R-ll-12 e CLARK-Y

A polar à esquerda é mostrada em sua forma usual com uma escala diferente ao longo dos eixos coordenados. No polar direito, desenhado na mesma escala, são feitas as mesmas construções. A linha reta da velocidade em Z = 2 fornece o coeficiente circunferencial máximo em um ângulo de ataque de 16o. O ponto de relação máxima de sustentação e arrasto é alcançado em um ângulo de ataque de 2 graus. Neste ponto, o coeficiente circunferencial é cerca de três vezes menor do que no ponto ótimo. Claro, em um moinho de vento você pode escolher um ângulo de ataque de trabalho de 2 graus. A potência de um moinho de vento depende da energia do vento. Portanto, um coeficiente circunferencial que tenha diminuído por um fator de três precisará ser compensado aumentando a corda da pá por um fator de três. (Considera-se um caso idealizado) Ao quadrado, 9 vezes, o volume da lâmina aumentará. À medida que a área aumenta, as perdas por atrito aumentam. KIEV está caindo. O alongamento da lâmina diminui, sua resistência indutiva aumenta. No ponto de qualidade aerodinâmica máxima, o moinho de vento é melhor compatível em termos do grau de desaceleração do ar no plano do moinho de vento e da magnitude da força circunferencial. A harmonização aumenta o KIEV. Portanto, o cálculo deve ser realizado levando em consideração todos os fatores. Aqui são considerados apenas o valor do coeficiente circunferencial e a largura da lâmina diretamente dependente dele.

Fig.4 Perfil TsAGI R-ll-12 polar

Com o aumento da velocidade, o ponto ideal (na largura mínima da lâmina) aproxima-se do ponto de relação elevação-arrasto máxima. Com velocidade de 6 e ângulo de ataque de 8o, o ganho no coeficiente circunferencial e, portanto, na largura das pás, comparado a 2o, é de 1,5 vezes. Mas a partir da análise dos polares, conclui-se que em altos valores de velocidade faz sentido escolher o ponto de operação abaixo do polar. Em caso de carga insuficiente ou sem carga no modo de emergência, o moinho de vento ganha velocidade e engata a marcha. O ângulo de velocidade diminui e, como o ângulo de instalação em moinhos de vento não regulamentados permanece constante, o ângulo de ataque diminui. O ponto de operação está mudando para baixo e a linha de velocidade está se aproximando do polar. A alguma velocidade, o coeficiente circunferencial se tornará igual a zero. O início deste momento (valor limite Z) durante a separação depende da posição inicial do ponto de operação. Quanto mais baixo for o ponto de partida, mais lentamente o moinho de vento aumentará a velocidade de deriva. Mas esta afirmação precisa ser testada na prática.

Ao construir a linha de velocidade Z = 6, vê-se claramente que o polar na faixa de ângulos de ataque de 3 a 12 graus é quase paralelo à linha de velocidade. Isto explica o fato de que o uso de diversas teorias e conceitos para o cálculo de moinhos de vento praticamente não tem efeito sobre a operação do moinho de vento de alta velocidade projetado.

As seções das pás localizadas mais próximas do eixo se movem mais lentamente do que as seções externas, de modo que suas linhas de velocidade ficam mais baixas. Para seções internas, o ponto ideal, ou seja, o valor máximo do coeficiente circunferencial encontra-se em ângulos de ataque elevados, de modo que o ângulo de instalação e a torção das lâminas, que são tecnicamente complexas, são reduzidos.

Como resultado da construção de linhas de alta velocidade, obtém-se uma família de pontos ótimos para diferentes velocidades. Qual desses pontos é o melhor? Qual velocidade deve ser preferida? Na fórmula da potência do moinho de vento, a velocidade Z está incluída na terceira potência e o coeficiente circunferencial está na primeira. Portanto, multiplicando os coeficientes circunferenciais pelos cubos de velocidade correspondentes, obtemos uma série de máximos, dos quais podemos escolher o máximo. O máximo-máximo situa-se aproximadamente na região da metade da qualidade aerodinâmica, com alta velocidade

Aqui K é a relação Cy/Cx máxima. Para o perfil considerado, o máximo ocorre com um ângulo de ataque de 2 graus e é igual a 24.

Esta pá tem uma relação sustentação-arrasto de 24, portanto, o máximo-máximo estará na região de Z = 10. Esta estimativa é aproximada, para entender a ordem de grandeza.

De acordo com o gráfico esquerdo da Fig. 4, é impossível construir um coeficiente distrital. Há uma escala diferente ao longo dos eixos, os ângulos retos são distorcidos e os comprimentos são distorcidos. No gráfico à direita, pode-se ver que

para Z =2, o produto Z3Ccr é igual a:

Aqueles. na velocidade Z = 10, a largura das pás na ponta diminui em comparação com uma hélice bastante rápida Z = 6 em 2,3 vezes.

Mais uma vez, observo que o ponto máximo-máximo fornece a largura mínima das lâminas, e não a potência máxima. A potência é determinada pelo vento. E ainda assim o poder é determinado pelas perdas, ou seja, Moinhos de vento KIEV, que não são considerados aqui.

Programa - Projeto e verificação de cálculos aerodinâmicos de uma turbina eólica - arquivo RELATÓRIO TÉCNICO.doc

RELATÓRIO TÉCNICO.doc

Cálculo das características aerodinâmicas de uma pá de turbina eólica e determinação de seus parâmetros geométricos.

B - número de lâminas

O relatório apresenta os resultados dos cálculos das características aerodinâmicas da pá da turbina eólica e do moinho como um todo. São apresentadas as características geométricas da lâmina.

^ 1. Dados iniciais para cálculo.

Velocidade estimada do vento V=12 m/s.

Pela experiência de criação de turbinas eólicas desta classe, o valor da velocidade relativa está na faixa de 6...8. O fator de utilização da energia eólica (ou fator de potência Ср) para turbinas eólicas existentes está na faixa de 0,43 a 0,47. A velocidade da extremidade da lâmina está na faixa de 80 a 100 m/s. Esta limitação se deve ao ruído aerodinâmico e ao desgaste erosivo da pá. Como perfil aerodinâmico das seções da pá do aerogerador, é aplicável o perfil da série NACA 44100, atualmente amplamente utilizado. A utilização de perfis laminares permite obter maior desempenho, mas sujeito a alta precisão de fabricação, ausência de contaminação da superfície da pá, ausência de vibrações estruturais e turbulência do fluxo do vento. O não cumprimento das condições acima reduz as características das turbinas eólicas com perfis de pás laminares em 25...30%.

Velocidade relativa =7.

^ Tabela 1. Coordenadas do perfil NACA 44100.

Onde: - nova espessura relativa do perfil.

Velocidade relativa (velocidade) =7.

Figura 2. Potência da roda eólica e liga a velocidade do vento (=7).

Como pode ser visto pelos resultados do cálculo, a roda eólica projetada atende aos requisitos dos dados iniciais e à prática de criação de turbinas eólicas desta classe.

A construção da geometria da lâmina é realizada da seguinte forma. O sentido de rotação do rotor é anti-horário quando visto na direção do vento. Os ângulos das seções são indicados a partir do plano de rotação. Um valor positivo é contra a direção do vento (Figura 3).

A geometria da lâmina resultante é mostrada na Tabela 2

Em formato eletrônico, os dados para construção da geometria da pá são apresentados nos seguintes arquivos:

VG100.scr - arquivo de script (ou arquivo de script) para o programa

VG100.dwg é um modelo de blade construído em AutoCAD (Figura 4) com base nos dados do arquivo VG100.scr.

VG100.CATPart – modelo de lâmina construído em CATIA (Figura 5)

Figura 4. Modelo esqueleto da lâmina.

1. Patrick J. Moriarty, Manual de Teoria AeroDyn , Laboratório Nacional de Energia Renovável, dezembro de 2005 NREL/EL-500-36881.

2. John Wiley & Sons, Energia Eólica Explicada - Teoria, Design e Aplicação,

3. E. M. Fateev, Turbinas eólicas e turbinas eólicas, OGIZ-SELKHOZGIZ, M., 1948

4. H. Pigot, Cálculo de pás de moinhos de vento, 2000

5. G. Glauert, Fundamentos da Teoria das Asas e Hélices, GNTI, 1931

6. E. Makarov, Cálculos de engenharia em Mathcad 14, São Petersburgo, 2007

RELATÓRIO TÉCNICO - Programa - Projeto e verificação de cálculos aerodinâmicos da turbina eólica - TÉCNICO

FORÇA DO VENTO
um dispositivo que converte energia eólica em energia rotacional. O principal corpo de trabalho de uma turbina eólica é uma unidade rotativa - uma roda movida pelo vento e rigidamente conectada ao eixo, cuja rotação aciona equipamentos que realizam trabalhos úteis. O eixo é instalado horizontalmente ou verticalmente. As turbinas eólicas costumam ser utilizadas para gerar energia consumida periodicamente: no bombeamento de água para tanques, na moagem de grãos, em redes de energia temporárias, emergenciais e locais.
Referência histórica. Embora os ventos de superfície nem sempre soprem, mudem de direção e sua força não seja constante, a turbina eólica é uma das máquinas mais antigas de obtenção de energia de fontes naturais. Devido à confiabilidade duvidosa de antigos relatórios escritos sobre turbinas eólicas, não está totalmente claro quando e onde tais máquinas apareceram pela primeira vez. Mas, a julgar por alguns registros, eles já existiam antes do século VII. DE ANÚNCIOS Sabe-se que foram utilizados na Pérsia no século X, e na Europa Ocidental os primeiros dispositivos deste tipo surgiram no final do século XII. Durante o século 16 o tipo de tenda do moinho de vento holandês foi finalmente formado. Nenhuma mudança especial em seu design foi observada até o início do século XX, quando, como resultado de pesquisas, os formatos e revestimentos das asas dos moinhos foram significativamente melhorados. Como as máquinas de baixa velocidade são volumosas, na segunda metade do século XX. começou a construir turbinas eólicas de alta velocidade, ou seja, aqueles cujas rodas eólicas podem fazer um grande número de rotações por minuto com um alto coeficiente de aproveitamento da energia eólica.
Tipos modernos de turbinas eólicas. Atualmente, são utilizados três tipos principais de turbinas eólicas - tambor, palheta (tipo parafuso) e rotativa (com perfil repelente em forma de S).
Tambor e alado. Embora a roda eólica tipo tambor tenha a menor taxa de utilização de energia eólica em comparação com outros repelentes modernos, ela é a mais utilizada. Em muitas fazendas, é usado para bombear água se, por algum motivo, não houver eletricidade. Uma forma típica de tal roda com lâminas de chapa metálica é mostrada na fig. 1. As rodas eólicas do tipo tambor e asa giram em um eixo horizontal, portanto, devem ser giradas na direção do vento para obter o melhor desempenho. Para isso, eles recebem um leme - uma pá localizada em um plano vertical, que garante o giro da roda do vento em direção ao vento. O diâmetro da roda da maior turbina eólica tipo palheta do mundo é de 53 m, a largura máxima de sua pá é de 4,9 m. A roda eólica está diretamente conectada a um gerador elétrico com capacidade de 1000 kW, que se desenvolve a uma velocidade do vento de pelo menos 48 km/h. Suas pás são ajustadas de forma que a velocidade de rotação da roda eólica permaneça constante e igual a 30 rpm na faixa de velocidade do vento de 24 a 112 km/h. Devido ao fato de os ventos soprarem com bastante frequência na área onde tais aerogeradores estão localizados, o aerogerador costuma gerar 50% da potência máxima e alimentar a rede elétrica pública. As turbinas eólicas de palhetas são amplamente utilizadas em áreas rurais remotas para fornecer eletricidade às fazendas, incluindo o carregamento de baterias para sistemas de comunicação de rádio. Eles também são usados ​​em usinas de energia a bordo de aeronaves e mísseis guiados.

Rotor em forma de S. O rotor em forma de S montado em um eixo vertical (Fig. 2) é bom porque uma turbina eólica com tal repelente não precisa ser levada contra o vento. Embora o torque em seu eixo mude de um mínimo para um terço do seu valor máximo em meia volta, ele não depende da direção do vento. Quando um cilindro circular liso é girado pelo vento, uma força que atua no corpo do cilindro é perpendicular à direção do vento. Este fenômeno é denominado efeito Magnus, em homenagem ao físico alemão que o estudou (1852). Em 1920-1930, A. Flettner usou cilindros rotativos (rotores Flettner) e rotores em forma de S em vez de rodas eólicas com pás, e também como hélices para um navio que fez a transição da Europa para a América e vice-versa.

Enciclopédia Collier. - Sociedade Aberta. 2000 .

Veja o que é "MOTOR EÓLICO" em outros dicionários:

Turbina de vento … Dicionário Ortográfico

Motor, motor pneumowind, turbina eólica, turbina eólica Dicionário de sinônimos russos. turbina eólica s., número de sinônimos: 4 moinho de vento (8) ... Dicionário de sinônimo

Utiliza energia eólica para gerar energia mecânica. Principalmente as turbinas eólicas de palhetas são difundidas, nas quais o eixo de rotação da roda eólica coincide com a direção do fluxo de ar ... Grande Dicionário Enciclopédico

turbina de vento- VD Um dispositivo para converter energia eólica em energia mecânica de rotação de turbinas eólicas. [GOST R 51237 98] Tópicos energia eólica Sinônimos VD EN motor eólico ... Manual do Tradutor Técnico

turbina de vento- turbina de vento... Dicionário de abreviaturas e abreviaturas

FORÇA DO VENTO- (turbina eólica) um motor que utiliza a energia cinética do vento para gerar energia mecânica. Vista primitiva de V. moinho de vento. Existem turbinas eólicas: aladas, de carrossel ou rotativas, e de tambor ... Grande Enciclopédia Politécnica

Um motor que utiliza a energia cinética do vento para gerar energia mecânica. Como corpo de trabalho do vento, que percebe a energia (pressão) do fluxo do vento e a converte na energia mecânica da rotação do eixo, eles utilizam ... ... Grande Enciclopédia Soviética

Uma máquina que converte a energia cinética do vento em energia mecânica. O corpo de trabalho de uma turbina eólica é uma roda eólica que percebe a pressão do fluxo de ar e a converte em energia mecânica de rotação do eixo. Distinguir… … Enciclopédia de tecnologia

EU; M. Um motor movido pela força do vento. * * * Uma turbina eólica utiliza energia eólica para gerar energia mecânica. Principalmente as turbinas eólicas de palhetas são difundidas, nas quais o eixo de rotação da roda eólica coincide com ... ... dicionário enciclopédico

Um motor usando cinética energia eólica para gerar energia mecânica energia. Distinguir V. vaned (ver fig.), via de regra, com eixo de rotação horizontal, com coeficiente. utilização de energia eólica até 0,48 (mais comum); carrossel, ... ... Grande dicionário enciclopédico politécnico

Muitas vezes as pessoas se enganam quanto ao fato de que hélices de múltiplas pás são para ventos fracos e hélices de três ou duas pás são para ventos fortes. E muita gente pensa que é uma hélice multipás que é mais eficiente para ventos fracos, porque tem muitas pás, daí o empuxo é maior, mais vento cobre as pás, o torque é maior, e portanto a potência, mas isto não é assim. Devido ao maior número de pás, o torque de partida é maior, então se o gerador tiver forte aderência magnética, então algo tem que ser feito para aumentar o torque de partida, e geralmente isso é a adição de pás.

Vamos primeiro imaginar uma lâmina e os fatores físicos que atuam sobre ela. A pá tem uma torção, ângulos em relação ao fluxo do vento, e o vento apoiado nela faz com que a pá se mova sob pressão (para ser comprimida para frente ao longo do eixo de rotação). Mas a lâmina movendo-se em seu plano supera a resistência frontal (frontal) do denso fluxo de ar. Esse fluxo desacelera a pá, evitando que ela ganhe mais velocidade, e quanto maior a velocidade, maior será o arrasto aerodinâmico.

Se houver mais de uma, duas ou três ou 12 pás, então o arrasto aerodinâmico de todas as pás não permanece igual a um, ele soma, as perdas somam-se ao total e a velocidade da hélice cai. Muita energia é gasta apenas na rotação. Além disso, as pás que passam perturbam muito o fluxo ao girá-lo, com isso as pás que vão atrás ganham ainda mais arrasto e a força retirada do vento é novamente desperdiçada e a velocidade cai. É na velocidade que se gasta grande parte da energia retirada do vento.

Além disso, quando há uma floresta inteira de pás em círculo, fica mais difícil para o vento passar pela hélice. A roda eólica retarda o fluxo do vento, uma "capa" de ar é formada na frente da hélice e novas porções do vento que batem nessa "capa" são espalhadas para os lados. Você sabe como o vento contorna os obstáculos, então o parafuso contra o vento é como um escudo sólido.

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Mas muitos vão pensar que quanto mais pás, mais energia pode ser retirada do vento por unidade de tempo, mas também não é o caso, não é o número de pás que importa aqui, mas a velocidade e a velocidade da hélice . Por exemplo, 6 pás, digamos a 60 rpm, farão uma revolução passando pelo cubo de vento e retirando dele uma certa porção de energia, e 3 pás darão duas voltas ao mesmo tempo, e levarão a mesma quantidade de energia. Se você aumentar ainda mais a velocidade, mais energia será consumida. Não importa quantas lâminas, uma ou dez, já que uma lâmina girando dez vezes mais rápido consumirá tanta energia quanto dez lâminas girando lentamente.

Velocidade da turbina eólica.

Além disso, quanto mais rápido a pá se move, mais muda o ângulo de ataque do vento na pá. Vamos imaginar que você está sentado em um carro e a neve atinge seu vidro lateral, mas quando você começar a dirigir, a neve já atingirá o para-brisa, e quando você ganhar velocidade, a neve já atingirá diretamente o para-brisa, embora quando você parar a neve atingirá novamente a lateral. Assim, quando a lâmina ganhar velocidade, o vento se apoiará nela em um ângulo diferente. Portanto, a ponta da pá é feita apenas de 2 a 5 graus, pois, ao acelerar, atingirá o ângulo ideal de ataque do vento e consumirá o máximo de energia possível. No meio da lâmina a velocidade é duas vezes menor, portanto o ângulo é duas vezes maior, 8-12 graus, e na raiz é ainda maior, porque aí a velocidade é muitas vezes menor.

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Para hélices de pás pequenas de alta velocidade, os ângulos são menores. Por exemplo, para hélices de três pás, a velocidade usual é cerca de Z5, ou seja, a hélice tem potência máxima girando a uma velocidade cinco vezes maior que a velocidade do vento. Neste caso, a ponta da lâmina tem cerca de 4 graus, o meio tem 12 graus e a raiz tem cerca de 24 graus. Se houver seis lâminas, a velocidade é duas vezes menor, o que significa que os ângulos são duas vezes maiores. grande. Pois bem, mesmo quanto mais fina a lâmina e menor sua área, mais rápida ela é, e menor sua resistência aerodinâmica, portanto, se três pás forem largas, elas terão baixa velocidade, e seis ou doze lâminas finas e estreitas terão alta velocidade.

Como resultado, por exemplo, uma hélice de três e seis pás terá a mesma potência com vento fraco, porque três pás com velocidade Z5 darão o dobro de rotações que seis pás com velocidade Z2,5 ao mesmo tempo. , o que significa que retirarão a mesma quantidade de energia do vento. Mas com vento mais forte, uma hélice de seis pás também perderá para uma de três pás forte, já que três pás têm menos resistência aerodinâmica e podem ganhar alta velocidade e, portanto, trabalham por unidade de tempo com muito vento, porque quanto mais rápido quanto mais a lâmina se move, mais força ela recebe do vento.

A única vantagem é que quanto mais pás, melhor será o torque de partida, e se o gerador tiver aderência magnética, a hélice de múltiplas pás dará partida mais cedo, mas o torque e a potência serão maiores para hélices de pás pequenas.

Sim, e o torque, uma vez que a hélice de alta velocidade ganhará impulso, os ângulos das pás se tornarão ideais para o fluxo de vento que realmente corre na pá, e sabemos que o ângulo real varia dependendo da velocidade da própria pá e do o torque será maior, pois há menor perda de energia no arrasto das pás.

Além disso, as hélices multipás são mais pesadas, o que significa que funcionam como um volante. Se a roda ganhou impulso, então a própria hélice armazena energia e é mais difícil pará-la abruptamente, mas mesmo quando o vento sopra mais forte, este volante ainda deve ser girado, então as hélices de múltiplas pás reagem pior às mudanças na força do vento , e rajadas de vento de curto prazo podem nem ser notadas. E hélices leves podem fornecer energia mesmo com uma breve rajada de vento. Isso é claramente visível no amperímetro quando você observa a intensidade da corrente. O de seis lâminas funciona de forma mais suave, não há grandes picos de corrente. E o de três lâminas executa cada impulso e a flecha corre rapidamente para frente e para trás, e essa é a energia que eventualmente se acumula na bateria, e a diferença no recuo pode ser muito significativa, principalmente em rajadas de vento e se o mastro estiver instalado baixo onde o fluxo do vento é turbulento.

Outro fator é a velocidade, uma hélice multipás significa baixa velocidade, o que significa que o gerador é o mesmo, o que significa que há mais gerador, mais ímãs, mais fios enrolados, mais peso de ferro, como resultado, o preço é muito mais. E o gerador geralmente é a parte mais cara da turbina eólica. E as revoluções têm o papel mais importante, porque quanto maiores as revoluções da hélice na mesma velocidade do vento, mais potência o gerador fornecerá e, se não houver revoluções suficientes, ou o gerador será maior e mais potente, ou um multiplicador é inventado.

Mas em todos os lugares existem os seus próprios, mas, claro, as hélices mais baratas e eficientes são as de pá única, mas precisam ser feitas com muita precisão e balanceamento, tudo deve ser calculado, a aerodinâmica da pá deve ser perfeita, caso contrário o vibrações e batidas da hélice e, em seguida, o moinho de vento colapsado estão garantidos para você. Em princípio, quase ninguém produz moinhos de vento de pá única fabricados em fábrica por esse motivo. As hélices de três pás revelaram-se mais ótimas, não são tão de alta velocidade, portanto, algum desequilíbrio da hélice não é terrível, mas a velocidade é alta, o que significa que o gerador é mais barato.

Mesmo assim, as pás de alta velocidade exigem aerodinâmica adequada, caso contrário, toda a eficiência pode cair significativamente. Portanto, em casa muitas vezes é mais fácil, embora mais caro, fazer um moinho de vento áspero, grande, ineficiente, mas fácil de fazer, sem nenhum cálculo e campanha para melhorá-lo, refazê-lo e refazê-lo novamente, e finalmente ou adquirir conhecimento e relembrar tudo, ou desistir e falar que tudo isso é lixo, comprei dos chineses e não sofra, ainda não dá para fazer melhor do que na fábrica, só vai desperdiçar dinheiro em vão.

A potência do fluxo, ou como também é chamada de segunda energia, é proporcional ao cubo da velocidade do vento. O que isso significa - se a velocidade do vento aumentar, digamos, duas vezes, então a energia do fluxo de ar aumentará 2 3 vezes, ou seja, 2 3 = 2x2x2 = 8 vezes.

A potência desenvolvida pela turbina eólica mudará proporcionalmente ao quadrado do diâmetro da roda eólica. O que significa dobrar o diâmetro da roda do vento - obtemos um aumento de potência na mesma velocidade do vento em quatro vezes.

No entanto, nem toda a energia que flui pela roda eólica pode ser convertida em trabalho útil. Parte da energia será perdida ao superar a resistência da roda eólica ao fluxo de ar, além de outras perdas. Além disso, uma parte bastante grande da energia do ar estará contida no fluxo que já passou pela roda eólica. Na teoria das turbinas eólicas de palhetas, está provado:

• A velocidade do vento atrás da roda eólica não é igual a zero;
• O melhor modo de operação da turbina eólica é aquele em que a vazão atrás da roda eólica será igual a 2/3 da velocidade inicial do fluxo que entrará na roda eólica.

Fator de utilização de energia

Este é um número que mostra quanto da potência do fluxo de ar será utilizada de forma útil pela turbina eólica. Este coeficiente é geralmente denotado pela letra grega χ (xi). Seu valor depende de uma série de fatores, como o tipo de turbina eólica, a qualidade de fabricação e o formato de suas pás, entre outros fatores. Para turbinas eólicas de alta velocidade com asas aerodinâmicas aerodinâmicas, o coeficiente χ é aproximadamente de 0,42 a 0,46. Isto significa que máquinas deste tipo podem converter cerca de 42% -46% do fluxo de vento que passa pela instalação em trabalho mecânico útil. Para máquinas de baixa velocidade, esse coeficiente é de cerca de 0,27 a 0,33. O valor máximo teórico de χ para turbinas eólicas de palhetas ideais é de aproximadamente 0,593. As instalações de asas tornaram-se bastante difundidas e começaram a ser produzidas em massa pela indústria. Eles são divididos em dois grupos:

• Alta velocidade - número de lâminas até 4;

Velocidade lenta - de 4 a 24 lâminas;

Turbinas eólicas de alta e baixa velocidade

A velocidade é uma das vantagens, pois facilita a transferência da energia eólica para dispositivos de alta velocidade como um gerador elétrico. Além disso, são mais leves e possuem maior aproveitamento da velocidade do vento do que os de baixa velocidade, conforme mencionado acima.

Porém, além das vantagens, eles também apresentam uma séria desvantagem, como várias vezes menos torque com uma roda eólica estacionária e com os mesmos diâmetros de roda e velocidade do vento do que as instalações de baixa velocidade. Abaixo estão duas características aerodinâmicas:

Onde a linha pontilhada mostra uma roda eólica de 18 pás e a linha sólida mostra uma roda eólica de 3 pás. O número de módulos Z da roda eólica ou sua velocidade é traçado ao longo do eixo horizontal. Este valor é determinado pela razão entre a velocidade ωxR da extremidade da pá e a velocidade do vento V.

A partir das características da turbina eólica, podemos concluir que cada velocidade do vento pode ter apenas um único número de revoluções, nas quais é possível obter o χ máximo. Além disso, na presença da mesma velocidade do vento, um dispositivo de baixa velocidade terá um momento várias vezes maior que um de alta velocidade e, consequentemente, começará a funcionar com uma velocidade do vento menor que a de um dispositivo de alta velocidade. velocidade um. Este é um fator bastante significativo, pois aumenta o número de horas de operação do aerogerador.

Turbinas eólicas de palhetas

O princípio de seu funcionamento é baseado nas forças aerodinâmicas que surgirão nas pás da turbina eólica quando uma corrente de ar passar sobre elas. Para aumentar a potência, perfis aerodinâmicos e aerodinâmicos são fixados nas asas, e os ângulos de travamento são variáveis ​​​​ao longo da pá (quanto mais próximo do eixo, maiores os ângulos e menores na extremidade). O circuito é mostrado abaixo:

Existem três partes principais deste mecanismo - uma lâmina, um balanço, com o qual a roda é fixada ao cubo. Ângulo de cunha φ - o ângulo entre o plano de rotação da roda e a lâmina. O ângulo de ataque α é o ângulo de ataque do vento aos elementos da pá.

Quando a roda eólica foi freada, as direções do fluxo incidente na pá e a direção do vento coincidiram (ao longo da seta V). Mas como a roda tem alguma velocidade de rotação, então, respectivamente, cada um dos elementos da lâmina terá uma certa velocidade ωxR, que aumentará com a distância do eixo da roda. Portanto, o fluxo que sopra a pá em alguma velocidade consistirá nas velocidades ωxR e V. Essa velocidade é chamada de velocidade relativa do fluxo e tem a designação W.

Uma vez que apenas em certos ângulos de ataque existe o melhor modo de operação de uma turbina eólica de palhetas, os ângulos de cunha φ devem ser variáveis ​​ao longo de todo o comprimento da pá. A potência de um motor eólico, como qualquer outro, é determinada pelo produto da velocidade angular ω e seu momento M: P = Mxω. Pode-se concluir que com a diminuição do número de pás, o momento M também diminuirá, mas o número de revoluções ω aumentará. É por isso que a potência P = Mxω permanecerá quase constante e dependerá ligeiramente do número de pás do moinho.

Outros tipos de turbinas eólicas

Como você sabe, além das palhetas, existem também turbinas eólicas de tambor, carrossel e rotativas. Nos tipos carrossel e rotativo, o eixo de rotação é vertical e nos tipos tambor é horizontal. Talvez a principal diferença entre turbinas eólicas de palhetas e turbinas eólicas de tambor e carrossel seja que nas turbinas eólicas de palhetas todas as pás funcionam simultaneamente, enquanto nas turbinas eólicas de tambor e rotativas funciona apenas aquela parte das pás, cujo movimento coincidirá com a direção do vento.

Para diminuir a resistência das pás que vão contra o vento, elas são curvas ou cobertas por uma tela. O torque ao utilizar este tipo de motor surge devido às diferentes pressões nas pás.

Como as turbinas eólicas rotativas, de carrossel e de tambor têm uma eficiência bastante baixa (χ para esses tipos não excede 0,18), além de serem bastante volumosas e de baixa velocidade na prática, elas não têm sido amplamente utilizadas.