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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Tipologie di impianti eolici. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Fonti di energia alternative Esistono molti impianti eolici diversi (WPP), ma tutti possono essere suddivisi in due tipologie: con asse di rotazione orizzontale e verticale. I primi hanno un design complesso, ma hanno una maggiore efficienza nell'utilizzo dell'energia eolica, quindi sono più spesso utilizzati nell'industria. I secondi sono più semplici nel design, ma meno produttivi. Si trovano raramente sul mercato e vengono solitamente utilizzati nelle case private. Ruote eoliche orizzontali (a pale). Si sono diffuse le turbine eoliche con ruote eoliche alate e asse di rotazione orizzontale (Fig. 1). Tra questi, le ruote eoliche a due e tre pale hanno ricevuto il maggiore sviluppo. Orizzontale (a palette; WES - meccanismi a pale con asse di rotazione orizzontale. La velocità di rotazione e la facilità di produzione hanno portato all'uso diffuso di generatori eolici a palette nell'industria. Per garantire la massima velocità di rotazione, le pale di un generatore eolico a palette devono essere posizionato verticalmente - perpendicolare al flusso d'aria. Per raggiungere questo obiettivo, viene utilizzato un dispositivo speciale: lo stabilizzatore. I parchi eolici orizzontali possono essere collegati direttamente al generatore senza moltiplicatori. I generatori eolici a palette hanno un coefficiente di utilizzo dell'energia eolica molto più elevato. Al Allo stesso tempo, la loro velocità di rotazione è inversamente proporzionale al numero di ante, ovvero meno pale, maggiore è la velocità di rotazione, quindi impianti con più di tre pale non vengono praticamente utilizzati. Il momento rotante della ruota eolica al loro interno è creato dalla forza di sollevamento generata quando il flusso d'aria scorre attorno al profilo delle pale. Di conseguenza, l'energia cinetica del flusso d'aria all'interno dell'area spazzata dalle pale viene convertita in energia meccanica di rotazione della ruota eolica. La potenza sviluppata sull'asse della ruota eolica è proporzionale al quadrato del suo diametro e al cubo della velocità del vento. Secondo la teoria classica di N. E. Zhukovsky, per una ruota eolica ideale il coefficiente di utilizzo dell'energia eolica è ξ=0,593. Cioè, una ruota eolica ideale (con un numero infinito di pale) può estrarre il 59,3% dell'energia che passa attraverso la sua sezione trasversale. In realtà, in pratica, per le migliori ruote ad alta velocità, il valore massimo del coefficiente di utilizzo dell'energia eolica raggiunge 0,45-0,48 e per le ruote a bassa velocità fino a 0,36-0,38. Una caratteristica importante di una ruota eolica è la sua velocità, che è il rapporto tra la velocità della punta della pala e la velocità del flusso del vento. La punta della pala si muove solitamente nel piano della ruota eolica ad una velocità molte volte superiore alla velocità del vento. I valori di velocità ottimali per una ruota a due pale sono 5-7, per una ruota a tre pale - 4-5, per una ruota a sei pale - 2,5-3,5. Tra le caratteristiche costruttive, la potenza di una ruota eolica è influenzata principalmente dal suo diametro, nonché dalla forma e dal profilo delle pale. La potenza dipende poco dal numero di lame. La frequenza di rotazione della ruota eolica è proporzionale alla velocità e alla velocità della ruota eolica e inversamente proporzionale al diametro. La quantità di potenza è influenzata anche dall'altezza del centro della ruota, poiché la velocità del vento dipende dall'altezza. La potenza di una turbina eolica, come notato, è proporzionale alla velocità del vento alla terza potenza. Alle velocità del vento di progetto e superiori, la turbina eolica funziona alla sua potenza nominale. A velocità del vento inferiori, la potenza di progetto di una turbina eolica può essere pari al 20-30% di quella nominale o meno. In tali modalità operative, nei generatori si verificano grandi perdite di energia a causa della loro bassa efficienza a bassi carichi e nei generatori asincroni, inoltre, si verificano grandi correnti reattive che devono essere compensate. Per eliminare questo inconveniente alcuni aerogeneratori utilizzano generatori con potenze nominali pari al 100 e al 20-30% della potenza nominale dell'aerogeneratore. In caso di vento debole, il generatore viene spento per primo. In alcune turbine eoliche, un piccolo generatore offre anche la possibilità di far funzionare l'impianto a basse velocità del vento a basse velocità con un elevato coefficiente di utilizzo dell'energia eolica. Installazione della ruota eolica "verso il vento", cioè perpendicolare alla direzione del vento, viene effettuato nelle unità a bassissima potenza con l'aiuto di una coda, nelle unità di piccola e media potenza - attraverso il meccanismo della rosa dei venti, e nelle moderne grandi installazioni - con uno speciale sistema di orientamento che riceve l'impulso di controllo del trasmettitore della direzione del vento (paletta), installato nella parte superiore della navicella della turbina eolica. Il meccanismo della rosa dei venti è costituito da una o due piccole ruote eoliche, il cui piano di rotazione è perpendicolare al piano di rotazione della ruota principale, che lavorano per azionare una vite senza fine che fa ruotare la piattaforma della testa del motore eolico fino a quando finché le rose dei venti non si trovano su un piano parallelo alla direzione del vento. Davanti alla torre e dietro di essa può essere posizionata una ruota eolica alata con asse di rotazione orizzontale. In quest'ultimo caso, la pala è sottoposta a un'esposizione costante e ripetuta a forze alternate quando passa all'ombra della torre, il che allo stesso tempo aumenta notevolmente il livello di rumore. Per regolare la potenza e limitare la velocità di rotazione di una ruota eolica, vengono utilizzati numerosi metodi, tra cui la rotazione delle pale o parti di esse attorno al loro asse longitudinale, nonché alette, valvole sulle pale e altri metodi. I principali vantaggi delle turbine eoliche con asse di rotazione orizzontale della ruota eolica sono che le condizioni del flusso d'aria attorno alle pale sono costanti e non cambiano quando la ruota eolica viene girata, ma sono determinate solo dalla velocità del vento. Grazie a ciò, oltre a un fattore di utilizzo dell'energia eolica piuttosto elevato. Le turbine eoliche a pale sono attualmente le più diffuse. Turbine eoliche verticali (rotore). Un altro tipo di ruota eolica è il rotore Savonius (Fig. 2). La coppia si verifica quando l'aria scorre attorno al rotore a causa della diversa resistenza delle parti convesse e concave del rotore. La ruota è semplice, ma ha un fattore di utilizzo dell'energia eolica molto basso: solo 0,10-0,15. Negli ultimi anni diversi paesi stranieri, soprattutto il Canada, hanno iniziato a sviluppare una turbina eolica con rotore Darrieus, proposto in Francia nel 1920. Questo rotore ha un asse di rotazione verticale ed è costituito da due a quattro pale ricurve. Le pale formano una struttura spaziale che fa ruotare il pavimento sotto l'azione delle forze di sollevamento. derivanti dalle pale dal flusso del vento. Nel rotore Darrieus, il coefficiente di utilizzo dell'energia eolica raggiunge valori di 0,30-0,35, recentemente sono stati effettuati sviluppi su un motore rotativo Darrieus a pale diritte. Il vantaggio principale delle turbine eoliche Darrieus è che non richiedono un meccanismo di orientamento del vento. Il loro generatore e altri meccanismi si trovano a bassa altezza vicino alla base. Tutto ciò semplifica notevolmente la progettazione. Tuttavia, un grave svantaggio organico di queste turbine eoliche è un cambiamento significativo nelle condizioni del flusso attorno all'ala durante una rotazione del rotore, che si ripete ciclicamente durante il funzionamento. Ciò può provocare fenomeni di affaticamento e portare alla distruzione degli elementi del rotore e a gravi incidenti, di cui occorre tenere conto in fase di progettazione del rotore (soprattutto con turbine eoliche di elevata potenza). Inoltre, devono essere sciolti per iniziare a funzionare. I parchi eolici verticali (carosello, rotativi) sono meccanismi a pale con un asse di rotazione verticale. Funzionano a basse velocità del vento, ma hanno una bassa efficienza. Pertanto, sono piuttosto rari e vengono utilizzati, di regola, nei sistemi domestici. Allo stesso tempo, a differenza di quelli orizzontali, possono lavorare con qualsiasi direzione del vento senza cambiare posizione. L'installazione stessa monitora “dove soffia il vento”, quindi non necessita di dispositivi aggiuntivi. Le turbine eoliche rotanti sono a bassa velocità, il che consente loro di utilizzare semplici circuiti elettrici per l'estrazione di energia, in particolare generatori asincroni. Allo stesso tempo, la bassa velocità limita l'uso degli impianti eolici verticali, poiché impone l'uso di riduttori step-up - moltiplicatori, che hanno un'efficienza molto bassa. Senza un moltiplicatore, è problematico far funzionare un impianto del genere.
Dipendenze del fattore di utilizzo dell'energia eolica ξ, e la velocità Z per vari tipi di ruote eoliche sono mostrate in Fig. 3. Si può vedere che le ruote a due e tre pale con asse di rotazione orizzontale hanno il valore più alto di E. Alto per loro ξ viene mantenuto in un ampio intervallo di velocità Z. Quest'ultimo è importante, poiché le turbine eoliche devono funzionare a velocità del vento che variano in un ampio intervallo. Ecco perché negli ultimi anni installazioni di questo tipo sono diventate più diffuse.
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