Turbine Eoliene

Feb 26, 2024

Ce este o turbină eoliană?

Turbina eoliană este o instalație ce transformă energia cinetică a vîntului în energie electrică. Vîntul pune în mișcare elicile turbinei, care fiind conectate la generator, produce energie electrică.

Simplu, nu?

Aceasta generalizare ne v-a ajuta ulterior să înțelegem mai bine natura turbinelor eoliene.

Turbina eoliana

Putere

putere

Acum știm că turbina transformă energia vîntului în cea electrică, deci calculînd energia vîntului putem calcula cantitatea de electricitate generată de turbină. Noi știm că energia generată nu poate depăși energia vîntului, aceasta ar însemna că energia apare din nimic, ceea ce violează legile conservării energiei.(Legile date nu sunt ca niște promisiune spuse de mine. Sunt legi cărora li se supune tot ce există.)

Energia(cinetică) a vîntului poate fi calculată cu relația E_c=\frac{m\cdot v^2}{2}, unde m este masa aerului care antrenează elicile turbinei, iar v este viteza masei de aer. Viteza medie anuală a vîntului în Briceni este de 2 m/s ¹. Masa de aer poate fi calculată dacă îmi vom imagina aerul ca un cilindru, baza fiind cercul descris de elicea efectînd o revoluție, iar înalțimea fiind distanța parcursă de vînt într-un timp t dat, exemplificat în imaginea de mai jos.

energia cinetica

Suprafața lovită de aer v-a fi:

\begin{aligned} S&=\pi\cdot r^2 \end{aligned}

Pentru simplitate vom folosi în calcule o turbină cu raza r=1m.

Volumul de aer care v-a lovi turbina, se v-a calcula dupa relația de calcularea volumului unui cilindru:

\begin{aligned} V&=S\cdot d \end{aligned}

Unde distanța este d = v \cdot t:

\begin{aligned} V&=\pi \cdot r^2 \cdot v \cdot t \end{aligned}

Masa va fi produsul dintre volumul și densitatea aerului (\rho=1.225 \frac{kg}{m^3})

\begin{aligned} m&=V\cdot \rho\\ m&=\pi \cdot r^2 \cdot v \cdot t \cdot \rho \end{aligned}

Din acestea deducem relația:

E_c=\frac{\pi \cdot r^2 \cdot t \cdot \rho \cdot v^3}{2}

Unde pentru simplitate t = 1s

E_c=\frac{\pi \cdot r^2 \cdot \rho \cdot v^3}{2}

Drept într-o lume perfectă, unde nu-s de loc pierderi de energie și unde eu finisez la timp proiectele, o turbină eoliană cu elicea de 1m și la viteza de 2m/s v-a produce ~15,4J timp de o secundă, sau ~15.4W.

Dispozitiv	Putere(W)
Bec incandescent	60-100 W
Bec LED	±10-20W
Fierbător de apă	1200W
TV LED 0.5m	15W
²

Aceasta putere este destulă pentru a porni o lumină economă.

Desigur în realitate acea turbină de 1m în aceleași condiții v-a produce mai puțină energie. Acesta se datorează faptului că vîntul nu-și cedeaza toata energia ce se explică prin faptul că moleculele de aer, comparativ cu păsările, nu sunt complet oprite de turbină.

Aceste pierderi au fost calculate de catre savantul Albert Betz³, care a constatat că nici o turbină eoliană indiferent de formă nu v-a putea captura mai mult de 59.3\% din energia cinetică a vîntului. Drept 15.4W \cdot 59.3 \% = 9,1W. La moment turbinele eoliene ating pînă la 80\% din limita lui Betz. ⁴

Forma

În general sunt 2 tipuri de turbine eoliene:

Axă Orizontală

turbine orizontale

Mecanismul de rotație este poziționat orizontal. Este tip cel mai des întîlnit. Și dispune de o eficiență foarte înaltă, care variază între 30-50%.⁵

Avantaje:

Mai fiabile
Sunt Mai eficiente

Axă Verticală

verticale

Mecanismul de rotație a turbinelor date este poziționat vertical. Acest tip turbine este întîlnit mai rar. Ele sunt folosite pentru producerea energiei în cantități mai mici în locuri limitate de spațiu.⁵

Avantaje:

N-are nevoie de redirecționare în caz că vîntul își schimbă direcția
Mecanismul se află la nivel cu pămîntul, drept sunt mai ușor acesate
Mai puțin periculoase pentru păsări

Sunt mai multe tipuri de turbine pe axă verticală. Des întîlnite sunt Darrius și Savonius.

Darrius

Eficienta turbinelor Darrius variază de la 30-40%⁵. Cu toate că au o eficiență destul de înaltă, sunt mai puțin fiabile⁶ și deseori n-au capacitatea de autopornire.