Windturbine energieproductie is een groeiend gebied van elektriciteitsopwekking; in 2020 is het totale windvermogen in de wereld 743GW. Doordat de windcentrales minder vervuiling veroorzaken, groeit de vraag naar windenergieopwekking.
Het rendement van een windturbine hangt van veel factoren af, zoals het type turbine, de bladgeometrie, de beschikbare windsnelheid etc. 59% is het maximale rendement dat een windturbine kan halen. Het praktische rendement van een windturbine varieert tussen 30 -45% en kan oplopen tot 50% tijdens piekwind.
Als de turbine met 100% efficiëntie werkt, wordt de windsnelheid na het raken van de turbine nul, wat onmogelijk is.
Formule voor efficiëntie van windturbines
De berekening van efficiëntie is essentieel; de efficiëntie helpt om de prestaties van verschillende windturbines en optimale windsnelheid te vergelijken voor maximale efficiëntie.
Coëfficiënt van vermogen is het meer gebruikelijke woord voor efficiëntie van de windturbine. De Cp is gedefinieerd als,
Uit het generatorvermogen kan worden berekend hoeveel elektriciteit een windturbine produceert. De onderstaande vergelijking berekent de input kinetische energie,
Waar,
A is het overdekte gebied van de windturbine, V is de windsnelheid, ρ is de luchtdichtheid.
De Cp-waarde varieert met de windsnelheid; vandaar dat de efficiëntie van de windturbine varieert tijdens het gebruik.
Verder is de Cp afhankelijk van turbineonderdelen, dat wil zeggen de turbinebladen, assen en generator. Daarom leveren de vermenigvuldiging van aerodynamische efficiëntie van bladen, mechanische efficiëntie van de as en elektrische efficiëntie van generator de waarde van Cp.
Maximale efficiëntie van windturbine
Het maximaal mogelijke rendement van de windturbine wordt in 1919 voorgesteld door Albert Betz, een Duitse natuurkundige inzicht in het maximaal mogelijke turbinerendement.
De limiet van Betz laat zien dat 59.3% het maximaal mogelijke rendement van een windturbine is. Vandaar dat de turbine-efficiëntie nooit hoger is dan 59%, inclusief alle andere verliezen komt het in de praktijk op 35-45% waarde.
Laten we aannemen dat het rendement van een windturbine 100% is, wat betekent dat de turbine alle luchtenergie verbruikt. Als dit gebeurt, wordt de luchtsnelheid na het passeren van de turbine nul. Dat betekent dat de lucht niet stroomt, wat de verdere luchtstroom belemmert. Dit is dus een onmogelijke situatie.
Nu, als de inlaat- en uitlaatluchtsnelheid hetzelfde zijn, betekent dit dat er geen energie wordt onttrokken, wat 0% efficiëntie geeft aan de turbine. Het maximaal mogelijke turbinerendement ligt dus ergens tussen 0 en 100%, deze limieten buiten beschouwing gelaten.
Betz bewees dat het maximaal mogelijke rendement 59.3% is voor een windturbine met wiskunde en vaste fysica.
Soorten windturbines en hun efficiëntie
Er zijn verschillende windturbines beschikbaar, afhankelijk van de rotatie-as en het ontwerp van de wieken. De meest gebruikte windturbine is de horizontale as windturbine. Er worden echter ook andere soorten turbines gebruikt voor geschikte omstandigheden. De verschillende soorten turbines zijn,
Laten we de efficiëntie van deze turbines afzonderlijk bespreken,
Efficiëntie van windturbine met horizontale as (HAWT)
De horizontale as windturbines worden veel gebruikt voor grote installaties, waar voldoende ruimte en wind aanwezig is. De rotatie-as van het turbineblad is evenwijdig aan het aardoppervlak.
Het rendement van HAWT varieert tussen 35-50%. Momenteel heeft HAWT de hoogste efficiëntie.
De door de windturbine opgevangen windenergie is afhankelijk van het gebied dat door de turbinebladen wordt bestreken. Voor een HAWT wordt de oppervlakte als volgt berekend,
EEN = πL2
Waar, L is de lengte van het blad. De lengte varieert van 20 tot 80 meter.
Meestal worden deze windturbines gebruikt voor grote productie-installaties. De meest voorkomende horizontale windturbine is 3-bladig en de kleur van turbines is meestal wit voor zichtbaarheid door vliegtuigen.
Efficiëntie van verticale as windturbine (VAWT)
De verticale as windturbines worden vaak gebruikt voor kleine energieproductie waar de ruimte beperkt is. De rotatie-as van bladen van windturbines met een verticale as staat loodrecht op het aardoppervlak.
De efficiëntie van VAWT is minder in vergelijking met HAWT.
Zoals besproken, hangt het rendement af van het gebied van de turbinebladen dat is blootgesteld aan wind. Voor VAWT is het blootgestelde gebied,
EEN = DH
Waarbij D en H de diameter en hoogte van de bladen zijn.
Er zijn verschillende soorten VAWT beschikbaar. Darrius windturbine en Savonius windturbine zijn gemeenschappelijke VAWT. De efficiëntie van deze twee wordt hieronder besproken.
Darrius windturbine-efficiëntie
Darrius windturbine is een VAWT.
Het rendement van de Darrius windturbine ligt tussen de 30-40%. Het gebruik van deze turbines is beperkt, hoewel deze een hoog rendement hebben, voornamelijk vanwege het onvermogen om zelf te starten.
Darrius turbine is een op lift gebaseerde turbine. De figuur toont een Darrius-windturbine. Zoals hieronder getoond, is een aantal vleugelbladen gemonteerd op een verticale as die roteert. Door de kromming worden de bladen voor deze turbines alleen onder spanning gespannen. Het ontwerp is ontwikkeld door de Franse ingenieur Georges Jean Marie Darrieus. Deze worden vaak gebruikt in de buurt van de menselijke habitat, op de top van een gebouw of in het midden van een weg. De bescherming van de turbine is echter zwaar onder extreme omstandigheden.
Savonius windturbine-efficiëntie
Savonius windturbine is een ander type VAWT. Helaas is het rendement van deze turbines erg laag.
Het rendement van de Savonius windturbine varieert tussen 10-17%. Hoewel het rendement erg laag is, worden deze door de eenvoudige constructie en betrouwbaarheid van de turbine gebruikt om op geschikte locaties een kleine hoeveelheid elektriciteit te produceren.
Savonius-turbine is een op weerstand gebaseerde turbine. De afbeelding toont een echte Savonius-windturbine. Het bovenaanzicht van het blad is ook weergegeven in de onderstaande afbeelding.
De Finse ingenieur Sigurd Johannes Savonius ontwikkelde de Savonius-wind in 1922. Er zijn twee soorten bladontwerp voor Savonius-windturbines, vatontwerp en ijswindontwerp. De bovenaanzicht barrel windturbine is hierboven weergegeven. De bladen zijn halfcilindrisch; de vaten ontmoeten elkaar niet in het midden; ze zijn weg van het midden, wat de vrije beweging van de wind in het blad mogelijk maakt.
Bladloze windturbine doeltreffendheid
De bladloze windturbines zijn een bepaald type windturbine, deze turbines hebben geen draaiende wieken en de turbine werkt op basis van vortex-geïnduceerde trillingen.
Het rendement van een bladloze windturbine is veel lager in vergelijking met elke andere windturbine. Lichtgewicht, kosteneffectiviteit en minder onderhoud zijn echter de voordelen van de bladloze windturbine. Daarnaast heeft de turbine minder ruimte nodig; daardoor kunnen er meer turbines worden geïnstalleerd dan de gebruikelijke windturbine.
Efficiëntie van de windturbine van Archimedes
De windturbine van Archimedes is een recent ontwikkelde technologie. Dit zijn kleine constructies en kunnen worden gebruikt op daken, op wegen, enz.
In vergelijking met conventionele windturbines zijn de windturbines van Archimedes efficiënter. Bovendien vermindert de turbine vele andere problemen die verband houden met conventionele turbines.
Zo is het geluid van de windturbines van Archimedes beduidend minder in vergelijking met de conventionele turbine. De vorm van de turbine is vergelijkbaar met de spiraal van een Nautilusschelp. Door deze vorm kan de turbine het turbinevlak zelf aanpassen aan de windstroom.
Factoren die de efficiëntie van windturbines beïnvloeden
De efficiëntie van windturbines is hierboven al besproken, vandaar dat de factoren die van invloed zijn op de efficiëntie van de turbine zijn,
- De windsnelheid.
- De luchtdichtheid.
- Blade straal.
- Type windturbine
Vergelijking van efficiëntie van windturbines
Laten we de efficiëntie van de windturbine hier afronden. Het rendement van de windturbine is hieronder weergegeven.
| Turbine | Efficiënt |
| Windturbine met horizontale as | 30-45 |
| Verticale as windturbine | 10-40 |
| Darrius windturbine | 30-40 |
| Savonius windturbine | 10-17 |
| bladloze windturbines | Veel minder |
Voor meer berichten over werktuigbouwkunde, volg onze Mechanische pagina
Het TechieScience Core MKB-team is een groep ervaren vakexperts uit diverse wetenschappelijke en technische vakgebieden, waaronder natuurkunde, scheikunde, technologie, elektronica en elektrotechniek, auto-industrie en werktuigbouwkunde. Ons team werkt samen om hoogwaardige, goed onderbouwde artikelen te creëren over een breed scala aan wetenschappelijke en technologische onderwerpen voor de TechieScience.com-website.
Al onze senior MKB-bedrijven hebben meer dan 7 jaar ervaring op de betreffende gebieden. Ze zijn professionals uit de werkende industrie of verbonden aan verschillende universiteiten. Refereren Onze auteurs Pagina om meer te weten te komen over onze kern-KMO's.
Hallo medelezer,
We zijn een klein team bij Techiescience, dat hard werkt tussen de grote spelers. Als je het leuk vindt wat je ziet, deel dan onze inhoud op sociale media. Uw steun maakt een groot verschil. Bedankt!