John Yan, Cina, sawt.com

La maggior parte delle turbine eoliche rientrano in una delle due categorie generali: asse orizzontale e asse verticale. Ciascuno può essere ulteriormente diviso in turbine eoliche piccole e grandi.

Le turbine eoliche possono essere classificate come utility scale e small scale e quindi in versioni ad asse orizzontale (HAWTS) e ad asse verticale (VAWTs).

La tecnologia per le turbine eoliche tradizionali ad asse orizzontale (HAWT) è in fase di sviluppo da oltre cento anni. Questa tecnologia include le lame e la loro produzione, le scatole ingranaggi e la loro tecnologia di produzione, i dispositivi ad angolo di inclinazione e la loro tecnologia e così via. Le tecnologie sono molto mature. La Legge di Betz, che definisce la quantità massima di energia che un HAWT può estrarre dal vento, si basa su un singolo disco (il rotore) che si muove in uno spazio bidimensionale.

Alcuni componenti in una turbina eolica convenzionale.

1. Turbine eoliche ad asse verticale piccolo

Le turbine eoliche ad asse verticale piccolo differiscono notevolmente dall’asse verticale medio a quello grande ?? turbine eoliche perché la forza motrice e la direzione di una lama sono diverse quando una lama ruota. In una certa posizione, la forza della lama è grande e la direzione è positiva. In alcune posizioni, la forza motrice sarà più piccola e anche positiva. Ma in altre posizioni, la forza trainante e la direzione sono negative, grandi e piccole. Inoltre, man mano che il diametro del rotore viene ingrandito, le forze negative diventano più grandi. Quindi, se il diametro del rotore è reso più grande, l’angolo della lama (passo) deve essere regolabile in tempo reale. Questa tecnologia è chiamata “real time attack angle control regulation”.

1.1 La maggior parte delle attuali turbine eoliche ad asse verticale ha tre problemi principali:

1. Prestazioni di generazione a bassa potenza
2. Lavorano in una gamma ristretta di velocità del vento e frenano frequentemente, riducendo così la loro potenza

Scarsa stabilità durante la rotazione accorcia la vita della turbina.

La galleria mostra l’ampia gamma di disegni ad asse verticale.

1.2 Risolvere i tre problemi

Il SAWT, un disegno ad asse verticale, risolve i tre problemi tecnici nel settore delle turbine eoliche ad asse verticale. Un progettista ha prodotto una piccola turbina eolica verticale che ha venduto oltre 4.000 unità in circa 60 paesi dal 2007 e ha utilizzato brevetti per creare barriere tecniche.

1.3 Come progettare una buona piccola turbina eolica ad asse verticale

1.3.1 Anche se diverso da un HAWT, la tecnologia di base di un VAWT rimane una struttura mulino a vento con lame. Dopo aver scelto un profilo alare, è necessario calcolare un orientamento concavo, angolo, larghezza e quantità perché ciascuno di questi fattori determina le prestazioni del VAWT.
Quindi un primo passo è scegliere un profilo alare a bassa velocità. Una seconda fase pone l’orientamento concavo verso l’esterno, una terza fase sceglie un piccolo angolo della lama (8° funziona bene) e una larghezza della lama adeguata. La migliore quantità di lama è cinque. E poi il metodo di connessione della lama è importante. E ‘ meglio è quello di utilizzare la struttura presa per una facile installazione e ridotto le forze di resistenza. Questi fattori determinano le prestazioni di generazione di energia del VAWT.
1.3.2 Una turbina HAWT deve imbardare − reindirizzare se stessa nel vento − ma il VAWT non ha bisogno. Quindi VAWTs muse usa la “regolazione dell’angolo di attacco del passo positivo”. Questa funzione utilizza la forza centrifuga per controllare l’angolo della lama quando la velocità di rotazione supera la velocità nominale.

1.3.3 Un buon mulino a vento ad asse verticale deve rimanere stabile quando lo gira. In caso contrario, la turbina “scuoterà la testa” quando il rotore sta girando. Ciò ridurrà la vita della turbina e causerà altri problemi come rumore e usura meccanica. Quindi la soluzione migliore è quella di utilizzare una struttura coassiale per il mulino a vento e il generatore. La disposizione coassiale del mulino a vento e del generatore assicura una tenuta affidabile, sicurezza e stabilità, esente da rumore meccanico, un cuscinetto ragionevole per il mulino a vento e una lunga vita utile.
1.3.4 Danni possono verificarsi a turbine eoliche quando la velocità del vento supera 25 m/s. Così turbina eolica ad asse verticale ha bisogno di un sistema di frenatura automatica. Quando una turbina eolica inizia a frenare, deve superare l’inerzia rotazionale e la forza motrice del vento. Quindi un buon design calcola la coppia nel rotore alla velocità del vento di sopravvivenza e sceglie un freno a disco adatto per quella quantità di energia.

2. Medium & large VAWT technologies

Sebbene molti altri produttori di turbine stiano sviluppando VAWT di medie e grandi dimensioni, hanno adottato l’approccio progettuale da VAWT di piccole dimensioni semplicemente allargando proporzionalmente una piccola turbina per diventare un”VAWT medio o grande”. Non capiscono veramente le caratteristiche di un VAWT.

E ‘ ben noto che un VAWT è tranquillo, sicuro, e non ha bisogno di una torre alta. Tuttavia, quasi nessun VAWT di grandi dimensioni commercializzato è stato lanciato nonostante gli sforzi di innumerevoli ingegneri. Le ragioni sono ovvie: i problemi di efficienza aerodinamica, auto-partenza, stabilità strutturale e frenata sicura rimangono irrisolti. I problemi devono essere risolti per qualsiasi tipo di turbina eolica.

Questi tre problemi sono risolti con le tecnologie “active real-time pitch attack angle regulation” e “Truss Structure Shaft”.

2.1 Tecnologia “Active real-time pitch attack angle regulation”

Il nucleo di questa tecnologia è quello di regolare gli angoli della lama su una turbina rotante. Il dispositivo è stato testato su un VAWT alto 1 m x 1,36 m di larghezza in una galleria del vento ad una velocità del vento di 2 m/s. La coppia misurata era da 0,9 a 1 Nm a 44 giri / min. Il tasso di conversione dell’energia eolica in energia meccanica raggiunge il 68%, superando il limite del 59,3% dalla legge Betz. Questo non vuol dire che la legge Betz sia sbagliata. In questa teoria, un HAWT utilizza un singolo disco rotante in uno spazio bidimensionale mentre il VAWT è una rotazione multipla del disco in uno spazio tridimensionale. Questo rende il VAWT equivalente a due HAWT.

I test in galleria del vento hanno mostrato una coppia utile a venti di 2 m / s.

2.2 Struttura a traliccio per l’albero principale di un grande VAWT

Il momento flettente sul mulino a vento può essere estremamente grande quando il diametro del rotore è sufficientemente grande. Ciò significa che l’albero principale deve avere un diametro grande e forte, il che rende più difficile la commercializzazione. La nostra soluzione utilizza una capriata cava come albero principale all’interno perché la struttura della capriata è forte e relativamente leggera, soddisfacendo i requisiti per l’albero principale su VAWTS medi e grandi, nonché la domanda di commercializzazione.

Il potenziale del vento: il principio di Bernoulli applicato alle barche a vela

La Vestas Sailrocket 2 ha stabilito un record mondiale per le barche a vela nella baia di Walvis in Namibia nel 2012. L’imbarcazione ha raggiunto 64,78 nodi (119.95 km / h) con un vento di soli 25 nodi (46,3 km/h). La sua velocità media di navigazione raggiungeva i 59,23 nodi (109,65 km/h) in un canale rettilineo di 500 m. Questa barca a vela è stata spinta dalla forza di sollevamento risultante dal principio di Bernoulli.

3.1 Problemi con i disegni tradizionali

Alcuni sosterranno che i punti dolenti dell’industria tradizionale delle turbine eoliche includono:

• Spesso un alto costo di generazione di energia rispetto all’energia tradizionale
• La produzione è complessa
• Grandi parti sono difficili da trasportare
• Una fondazione che richiede un grande volume
  di calcestruzzo e tondo per cemento armato.
• L’installazione richiede gru complesse e costose
• Inquinamento acustico
• Danni all’ecosistema
• L’inquinamento chimico è possibile
• L’alta tensione genera radiazioni elettromagnetiche e interferenze

Una soluzione: La Super Turbina e come funziona

Oltre dieci anni di R&D nel settore VAWT ha portato alla Super Turbina, un tipo di grande turbina eolica. La super turbina, sviluppata entro il 2014, ha bassi costi di generazione di energia e facilità di installazione e manutenzione. Al suo centro c’è un’estensione della tecnologia “active real-time pitch attack angle regulation” che è stata verificata da esperimenti. Pensiamo che potrebbe portare una rivoluzione nell’attuale grande industria delle turbine eoliche.

L’immagine in alto mostra un layout generale per una Super Turbina. Le immagini inferiori forniscono dettagli.

• Per produrre energia, centinaia di pale vengono spostate lungo una pista da forze di sollevamento e trasmesse attraverso una catena per azionare centinaia di generatori fissati sulla pista circolare.
• La tecnologia di regolazione dell’angolo di inclinazione attiva in tempo reale monitora la direzione del vento, la velocità e la posizione di ciascuna lama sulla pista. Quindi regola gli angoli delle lame per ottenere la massima forza di sollevamento. In questo modo la Super turbina può migliorare il tasso di conversione dell’energia eolica e consentire la generazione di alta potenza.
• Una singola Super turbina può essere progettata per adattarsi alle condizioni di un parco eolico e alle esigenze del cliente. Una turbina può essere dimensionata da 7 a 50 MW.

3.3 Le tecnologie verificate dai test in galleria del vento

Il progetto è un’estensione e un’ulteriore applicazione della tecnologia “active real-time attack angle regulation”. In un’orbita circolare, guidata dal vento, le lame in posizioni diverse produrranno la forza motrice con diversa grandezza e direzione.
Una traccia modificata ha ulteriori vantaggi. Ad esempio, dove la forza motrice è maggiore, tagliare la pista circolare in questa posizione ed estenderla in una linea retta, che è un prototipo di super turbina. Come una barca a vela, è più veloce in linea retta.

Una super turbina potrebbe essere progettata rotonda, lunga o addirittura triangolare, ma il raggio di sterzata è lo stesso in base alle condizioni di terra e vento.

Alcuni dettagli aggiuntivi per il design.

3.4 Caratteristiche della turbina eccellente

La progettazione usa le tecnologie mature correnti per tutte le parti. I componenti principali includono:

3.6 Minori costi delle apparecchiature

• La super turbina utilizza tecnologie attuali e mature, come quella per il controllo del movimento, l’idraulica, le piste e la potenza in movimento. Quindi sarà facile da produttore.
• Un 40 MW Super Turbina utente costo totale è di $15 milioni, o $0.38 per watt.

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