Turbina de vento a produção de energia é um campo crescente de geração de eletricidade; em 2020, a capacidade total de energia eólica no mundo é de 743 GW. Como as usinas eólicas estão produzindo menos poluição, a demanda por geração de energia eólica está crescendo.
A eficiência de uma turbina eólica depende de muitos fatores, como o tipo de turbina, a geometria das pás, a velocidade do vento disponível, etc. 59% é a eficiência máxima que pode ser alcançada por uma turbina eólica. A eficiência prática de uma turbina eólica varia entre 30 -45% e pode aumentar para 50% durante o pico do vento.
Se a turbina estiver funcionando com 100% de eficiência, a velocidade do vento após atingir a turbina torna-se zero, o que é impossível.
Fórmula de eficiência da turbina eólica
O cálculo da eficiência é essencial; a eficiência ajuda a comparar o desempenho de diferentes turbinas eólicas e a velocidade ideal do vento para a máxima eficiência.
Coeficiente de energia é a palavra mais comum para eficiência da turbina eólica. O Cp é definido como,
A quantidade de eletricidade produzida por uma turbina eólica pode ser calculada a partir da saída do gerador. A equação abaixo calcula a energia cinética de entrada,
Onde,
A é a área coberta da turbina eólica, V é a velocidade do vento, ρ é a densidade do ar.
O valor Cp varia com relação à velocidade do vento; portanto, a eficiência da turbina eólica varia durante a operação.
Além disso, o Cp depende das peças da turbina, ou seja, das lâminas, eixos e gerador da turbina. Portanto, a multiplicação da eficiência aerodinâmica das pás, eficiência mecânica do eixo e eficiência elétrica do gerador fornecem o valor de Cp.
Eficiência máxima da turbina eólica
A máxima eficiência possível da turbina eólica é proposta por Albert Betz, físico alemão, em 1919. Ela fornece insights sobre a máxima eficiência possível da turbina.
O limite de Betz mostra que 59.3% é a máxima eficiência possível de uma turbina eólica. Daí, o eficiência da turbina nunca excede 59%, incluindo todas as outras perdas, chega a 35-45% do valor em casos práticos.
Vamos supor que a eficiência de uma turbina eólica é de 100%, o que significa que a turbina consome toda a energia do ar. Se isso acontecer, a velocidade do ar depois de passar pela turbina torna-se zero. Isso significa que o ar não está fluindo, o que impede o fluxo adicional de ar. Portanto, esta é uma situação impossível.
Agora, se a velocidade de entrada e saída do ar são iguais, isso significa que nenhuma energia é extraída, o que dá eficiência de 0% à turbina. Portanto, a eficiência máxima possível da turbina está em algum lugar entre 0 e 100%, excluindo esses limites.
Betz provou que a eficiência máxima possível é de 59.3% para uma turbina eólica com matemática e física sólida.
Tipos de turbinas eólicas e suas eficiências
Uma variedade de turbinas eólicas está disponível de acordo com o eixo de rotação e o design das pás. A turbina eólica mais comumente usada é a turbina eólica de eixo horizontal. No entanto, outros tipos de turbinas também são usados para condições apropriadas. Os diferentes tipos de turbinas são,
Vamos discutir a eficiência dessas turbinas separadamente,
Eficiência da turbina eólica de eixo horizontal (HAWT)
As turbinas eólicas de eixo horizontal são comumente usadas para grandes usinas, onde há espaço e vento suficientes disponíveis. O eixo de rotação da pá da turbina é paralelo à superfície terrestre.
A eficiência do HAWT varia entre 35-50%. Atualmente, HAWT tem a maior eficiência.
A energia eólica capturada pela turbina eólica depende da área coberta pelas pás da turbina. Para um HAWT, a área é calculada da seguinte forma,
UMA = πL2
Onde, L é o comprimento da lâmina. O comprimento varia entre 20 a 80 metros.
Normalmente, essas turbinas eólicas são usadas para grandes instalações de produção. A turbina eólica horizontal mais comum tem 3 lâminas e a cor das turbinas geralmente é branca para visibilidade por aeronaves.
Eficiência da turbina eólica de eixo vertical (VAWT)
As turbinas eólicas de eixo vertical são comumente usadas para pequena produção de energia onde o espaço é limitado. O eixo de rotação das pás das turbinas eólicas de eixo vertical é perpendicular à superfície da Terra.
A eficiência do VAWT é menor em comparação com o HAWT.
Conforme discutido, a eficiência depende da área das pás da turbina exposta ao vento. Para VAWT, a área exposta é,
A =DH
Onde D e H são o diâmetro e a altura das lâminas.
Diferentes tipos de VAWT estão disponíveis. A turbina eólica Darrius e a turbina eólica Savonius são VAWT comuns. As eficiências desses dois são discutidas abaixo.
Eficiência da turbina eólica Darrius
A turbina eólica Darrius é uma VAWT.
A eficiência da turbina eólica Darrius está entre 30-40%. O uso dessas turbinas é limitado, embora tenham alta eficiência, principalmente devido à incapacidade de autoinicialização.
A turbina Darrius é uma turbina de elevação. A figura mostra uma turbina eólica Darrius. Conforme mostrado abaixo, várias lâminas de aerofólio são montadas em um eixo vertical que gira. As lâminas são tensionadas apenas na tensão para essas turbinas devido à curvatura. O projeto é desenvolvido pelo engenheiro francês Georges Jean Marie Darrieus. Eles são comumente usados perto do habitat humano, no topo de um edifício ou no centro de uma estrada. No entanto, a proteção da turbina é difícil em condições extremas.
Eficiência da turbina eólica Savonius
A turbina eólica Savonius é um tipo diferente de VAWT. Infelizmente, a eficiência dessas turbinas é muito baixa.
A eficiência da turbina eólica Savonius varia entre 10-17%. Embora a eficiência seja muito baixa, devido à estrutura simples e confiabilidade da turbina, elas são utilizadas para produzir uma pequena quantidade de eletricidade em locais apropriados.
A turbina Savonius é uma turbina baseada em arrasto. A figura mostra uma turbina eólica Savonius real. A vista superior da lâmina também é mostrada na figura abaixo.
O engenheiro finlandês Sigurd Johannes Savonius desenvolveu o vento Savonius em 1922. Existem dois tipos de design de pás para a turbina eólica Savonius, design de barril e design de vento de gelo. A vista superior da turbina eólica de barril é mostrada acima. As lâminas são semicilíndricas; os barris não se encontram no centro; eles estão longe do centro, o que permite o movimento livre do vento na pá.
Turbina eólica sem lâmina eficiência
As turbinas eólicas sem pás são um tipo particular de turbina eólica, essas turbinas não têm pás giratórias e a turbina funciona com base na vibração induzida por vórtice.
A eficiência de uma turbina eólica sem pás é muito menor em comparação com qualquer outra turbina eólica. No entanto, leveza, economia e menos manutenção são as vantagens da turbina eólica sem pás. Além disso, a turbina requer menos espaço; portanto, mais turbinas podem ser instaladas do que a turbina eólica normal.
Eficiência da turbina eólica de Arquimedes
A turbina eólica Archimedes é uma tecnologia desenvolvida recentemente. Estas são estruturas pequenas e podem ser usadas em telhados, estradas, etc.
Em comparação com as turbinas eólicas convencionais, as turbinas eólicas de Arquimedes são mais eficientes. Além disso, a turbina reduz muitos outros problemas relacionados às turbinas convencionais.
Por exemplo, o ruído produzido pelas turbinas eólicas Archimedes é significativamente menor em comparação com a turbina convencional. A forma da turbina é modelada semelhante à espiral de uma concha Nautilus. Esta forma permite que a turbina se auto-ajuste a face da turbina de acordo com o fluxo de vento.
Fatores que afetam a eficiência da turbina eólica
A eficiência das turbinas eólicas já foi discutida acima, a partir do qual os fatores que afetam a eficiência das turbinas são,
- A velocidade do vento.
- A densidade do ar.
- Raio da lâmina.
- Tipo de turbina eólica
Comparação da eficiência da turbina eólica
Vamos concluir a eficiência da turbina eólica aqui. A eficiência da turbina eólica é tabulada abaixo.
| Turbina | Eficiência |
| Turbina eólica de eixo horizontal | 30-45 |
| Turbina eólica de eixo vertical | 10-40 |
| Turbina eólica Darrius | 30-40 |
| Turbina eólica savonius | 10-17 |
| turbinas eólicas sem pás | Muito menos |
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