Studiu experimental privind producția de energie a turbinelor cu ax verical

Gheorghe Badea, Lucian Rus

Coeficienții de performanță înregistrați în cazul turbinelor eoliene cu ax vertical, având la bază principiul Savonius, sunt mai reduși decât cei aferenți turbinelor eoliene cu ax orizontal cu rotor de tip elice, datorită faptului că, în timp ce rotoarele cu ax vertical de rotație utilizează numai efectul de frecare aerodinamică pentru a genera mișcare de rotație, cele cu ax orizontal au proprietatea că, pe lângă efectul de frecare aerodinamică, folosesc și efectul de ascensiune aerodinamică, în acest fel rotorul având capacitatea de a atinge valori ale turației mult mai ridicate. Astfel, dacă în cazul turbinelor cu ax orizontal valorile coeficienților de performanță pot atinge sau chiar depăși 0,4-0,45, pentru cele cu ax vertical acești coeficienți rareori depășesc 0,3. Există mai multe metode de îmbunătățire a valorilor acestor coeficienții pentru a face ca turbinele cu ax vertical să fie mai atractive pentru producerea de electricitate, și anume optimizarea formei palei rotorului, alegerea raportului optim de suprapunere a palelor rotorului sau utilizarea numărului optim de etaje ale rotorului. În lucrare este prezentat un studiu experimental referitor la alegerea designului optim al rotoarelor cu ax vertical, în vederea creșterii producției de energie.

1. INTRODUCERE

Aerul în mișcare înglobează o sursă importantă de energie care poate fi convertită în energie utilă, în speță în energie mecanică sau energie electrică, prin utilizarea turbinelor eoliene. Turbinele eoliene sunt formate din mai multe componente, dintre care cel mai important este rotorul eolian, care are rolul de a transforma energia captată din curentul de aer în energie mecanică, care este livrată fie direct, fie prin intermediul unui generator electric sub formă de energie electrică.

Fiecare rotor este supus, prin aria pe care o interceptează din curentul de aer, denumită și arie scăldată, unei anumite cantități de energie eoliană. Totuși, doar o parte din această energie pe care rotorul o interceptează prin aria sa scăldată este convertită în energie mecanică livrată la nivelul axului rotorului. Astfel se poate vorbi de eficiența sau performanța unui rotor în funcție de raportul dintre cantitatea de energie interceptată din vânt și cantitatea de energie livrată la nivelul axului rotorului, raport care se mai numește și coeficient de putere sau coeficient de performanță, Cp. Valorile maxime ale acestui coeficient sunt stabilite cu ajutorul teoriei unidimensionale a momentului pentru o turbină ideală, denumită și Limita lui Betz, și sunt diferite în funcție de poziția axei de rotație a rotorului, și anume 0,593 pentru turbinele eoliene cu axa de rotație în poziție orizontală și aproximativ 0,25-0,3 pentru turbinele cu ax vertical de rotație care  funcționează pe baza principiului de frecare aerodinamică.

Unele tipuri de rotoare, de exemplu rotorul Savonius, pot fi realizate atât ca rotoare care utilizează exclusiv frecarea (rezistența) aerodinamică, cât și ca rotoare care utilizează parțial și ascensiunea aerodinamică, acesta fiind unul din motivele pentru care apar diferențe mari între valorile determinate ale coeficientului de putere pentru aceste tipuri de rotoare.

2. PUTEREA EXTRASĂ DIN VÂNT

Puterea, indiferent de forma în care este analizată, este egală cu produsul dintre o forță și o distanță, cunoscut și ca lucru mecanic, împărțit la un interval de timp. Puterea conținută în vânt poate fi exprimată în mai multe unități de măsură, cum ar fi cai putere (CP) sau wați (W), în funcție de aplicația care utilizează acest tip de energie. Puterea care poate fi extrasă din vânt este:

• neinfluențată de schimbările densității aerului, cu excepția condițiilor climatice severe și a altitudinilor extreme;
• direct proporțională cu aria interceptată, adică aria scăldată a rotorului, astfel că dacă aria interceptată crește de două ori, aceasta creștere se va traduce printr-o dublare a puterii disponibile;
• puternic dependentă de viteza vântului, astfel că în formula de definire a puterii, viteza vântului este la puterea a treia, ceea ce înseamnă că o dublare a vitezei vântului echivalează cu a creștere de opt ori a puterii disponibile.

Articolul integral il puteti citi in editia tiparita a revistei Electricianul nr. 2/2013.