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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Tipos de usinas eólicas. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Fontes de energia alternativa Existem muitos aerogeradores (WPPs) diferentes, mas todos eles podem ser divididos em dois tipos: com eixo de rotação horizontal e vertical. As primeiras têm uma estrutura complexa, mas têm uma maior taxa de aproveitamento da energia eólica, por isso são mais utilizadas na indústria. Os segundos são mais simples em design, mas menos produtivos. Eles são raros no mercado e geralmente são usados em residências particulares. Turbinas eólicas horizontais (aladas) As turbinas eólicas com rodas eólicas aladas e um eixo de rotação horizontal tornaram-se difundidas (Fig. 1). Entre eles, as turbinas eólicas de duas e três pás receberam o maior desenvolvimento. Horizontal (palhetas; WES - mecanismos de pás com eixo de rotação horizontal. A velocidade de rotação e a facilidade de fabricação levaram ao uso generalizado de turbinas eólicas de palhetas na indústria. Para garantir a velocidade máxima de rotação, as pás de um gerador eólico de palhetas devem estar localizado verticalmente - perpendicular ao fluxo de ar. Para conseguir isso, um dispositivo especial é usado - estabilizador.Parques eólicos horizontais podem ser conectados diretamente ao gerador sem multiplicadores.Geradores de turbina de roda têm um fator de utilização de energia eólica muito maior.Ao mesmo tempo, sua velocidade de rotação é inversamente proporcional ao número de pás. Ou seja, quanto menores as pás, maior a velocidade de rotação. Portanto, instalações com mais de três pás praticamente não são utilizadas. O torque da roda do vento neles é criado pela força de elevação formada quando o fluxo de ar flui ao redor do perfil das pás. Como resultado, a energia cinética do fluxo de ar dentro da área varrida pelas pás é convertida em energia mecânica de rotação da roda eólica. A potência desenvolvida no eixo da roda do vento é proporcional ao quadrado do seu diâmetro e ao cubo da velocidade do vento. De acordo com a teoria clássica de N. E. Zhukovsky, para uma turbina eólica ideal, o coeficiente de utilização da energia eólica é ξ=0,593. Ou seja, uma roda eólica ideal (com um número infinito de pás) pode extrair 59,3% da energia que passa por sua seção transversal. Na realidade, na prática, para as melhores rodas de alta velocidade, o valor máximo do fator de aproveitamento da energia eólica chega a 0,45-0,48, e para rodas de baixa velocidade, até 0,36-0,38. Uma característica importante de uma turbina eólica é a sua velocidade, que é a relação entre a velocidade da ponta da pá e a velocidade do fluxo do vento. A extremidade da pá geralmente se move no plano da roda do vento a uma velocidade várias vezes maior que a velocidade do vento. Os valores ideais de velocidade para uma roda de duas pás são 5-7, para uma de três pás - 4-5, para uma de seis pás - 2,5-3,5. Das características de projeto, a potência de uma roda eólica é influenciada principalmente pelo seu diâmetro, bem como pela forma e perfil das pás. A potência depende pouco do número de lâminas. A frequência de rotação da roda eólica é proporcional à velocidade e velocidade da turbina eólica e inversamente proporcional ao diâmetro. A altura do centro da roda também afeta a quantidade de energia, pois a velocidade do vento depende da altura. A potência da turbina eólica, como observado, é proporcional à velocidade do vento à terceira potência. Na velocidade do vento projetada e acima, a operação da turbina eólica com potência nominal é garantida. Em velocidades de vento abaixo da capacidade de projeto da turbina eólica pode ser 20-30% do nominal ou menos. Sob tais modos de operação, ocorrem grandes perdas de energia nos geradores devido à sua baixa eficiência em baixas cargas, e em geradores assíncronos, além disso, ocorrem grandes correntes reativas, que devem ser compensadas. Para eliminar essa desvantagem, algumas turbinas eólicas usam geradores com potência nominal de 100 e 20-30% da potência nominal da turbina eólica. Em ventos fracos, o gerador é desligado primeiro. Em algumas turbinas eólicas, um pequeno gerador também oferece a capacidade de operar a instalação em baixas velocidades de vento em baixas velocidades com alto valor do coeficiente de utilização de energia eólica. baixa potência com a ajuda da cauda (cauda), em unidades de pequena e média potência - por meio do mecanismo windrose, e em grandes instalações modernas - um sistema especial de orientação que recebe um impulso de controle do remetente da direção do vento (cata-vento) instalado no topo da gôndola da turbina eólica. O mecanismo da rosa-dos-ventos é uma ou duas pequenas rodas eólicas, cujo plano de rotação é perpendicular ao plano de rotação da roda principal, funcionando para acionar um sem-fim que gira a plataforma do cabeçote do aerogerador até então. até que as rosas-dos-ventos fiquem em um plano paralelo à direção do vento. Uma roda eólica alada com um eixo de rotação horizontal pode ser localizada na frente da torre e atrás dela. Neste último caso, a lâmina é submetida a uma ação repetida constante de forças variáveis ao passar pela sombra da torre, o que ao mesmo tempo aumenta significativamente o nível de ruído. Vários métodos são usados para controlar a potência e limitar a velocidade de rotação da roda do vento, incluindo a rotação das pás ou partes delas em torno de seu eixo longitudinal, bem como flaps, válvulas nas pás e outros métodos. As principais vantagens das turbinas eólicas com eixo horizontal de rotação da roda eólica é que as condições para o fluxo de ar ao redor das pás são constantes, não mudam quando a roda eólica gira, mas são determinadas apenas pela velocidade do vento. Devido a isso, bem como um valor bastante alto do coeficiente de aproveitamento da energia eólica. As turbinas eólicas do tipo asa são atualmente as mais utilizadas. Turbinas eólicas verticais (rotor) Outro tipo de turbina eólica é o rotor Savonius (Fig. 2). O torque ocorre quando o ar flui ao redor do rotor devido à resistência diferente das partes convexas e côncavas do rotor. A roda é simples, mas tem um fator de utilização de energia eólica muito baixo - apenas 0,10-0,15. Nos últimos anos, em vários países estrangeiros, especialmente no Canadá, começaram a desenvolver uma turbina eólica com rotor Darrieus, proposta na França em 1920. Esse rotor tem um eixo de rotação vertical e consiste em duas a quatro pás curvas. As pás formam uma estrutura espacial que gira sob a ação de forças de elevação. surgindo nas pás do fluxo de vento. No rotor Darrieus, o coeficiente de utilização da energia eólica atinge 0,30 a 0,35.Recentemente, foi realizado o desenvolvimento do motor rotativo Darrieus com pás retas. A principal vantagem das turbinas eólicas Darrieus é que elas não precisam de um mecanismo de orientação do vento. Eles têm um gerador e outros mecanismos colocados a uma pequena altura perto da base. Tudo isso simplifica muito o design. No entanto, uma séria desvantagem orgânica dessas turbinas eólicas é uma mudança significativa nas condições do fluxo ao redor da asa durante uma revolução do rotor, que se repete ciclicamente durante a operação. Isso pode causar fenômenos de fadiga e levar à destruição dos elementos do rotor e acidentes graves, que devem ser levados em consideração no projeto do rotor (especialmente em turbinas eólicas de alta potência). Além disso, para começar, eles precisam ser destorcidos. Os parques eólicos verticais (carrossel, rotativos) são mecanismos de pás com um eixo de rotação vertical. Eles operam em baixas velocidades de vento, mas têm baixa eficiência. Portanto, são bastante raros e são utilizados, via de regra, em sistemas domésticos. Ao mesmo tempo, ao contrário dos horizontais, eles podem operar em qualquer direção do vento sem mudar de posição. A própria instalação monitora "de onde sopra o vento", portanto, não necessita de dispositivos adicionais. As turbinas eólicas rotativas são de baixa velocidade, o que possibilita o uso de circuitos elétricos simples para coletar energia, em particular, geradores assíncronos. Ao mesmo tempo, a baixa velocidade limita o uso de parques eólicos verticais, pois obriga o uso de redutores elevadores - multiplicadores com baixíssima eficiência. É problemático operar tal instalação sem um multiplicador.
Dependências do fator de utilização de energia eólica ξ, a partir da velocidade Z para vários tipos de turbinas eólicas são mostrados na Fig.3. Pode-se ver que as rodas de duas e três pás com eixo de rotação horizontal têm o maior valor de E. Para eles alto ξ é preservado em uma ampla faixa de velocidade Z. Esta última é essencial, uma vez que as turbinas eólicas precisam operar em velocidades de vento que variam dentro de amplos limites. É por isso que as instalações desse tipo receberam a maior distribuição nos últimos anos.
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