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Le pale delle turbine eoliche devono essere piatte, piegate o curve
Il vento è una risorsa energetica gratuita, finché i governi non ci mettono una tassa sopra, ma il vento è anche una fonte di energia molto imprevedibile e inaffidabile perché cambia costantemente sia in forza che in direzione. Per produrre quantità utili di energia, le turbine eoliche generalmente devono essere grandi e alte, ma per funzionare in modo efficiente devono anche essere ben progettate e ingegnerizzate, il che le rende anche costose.
La maggior parte delle turbine eoliche progettate per la produzione di elettricità sono costituite da un’elica a due o tre pale che ruota intorno a un asse orizzontale. È ovvio dire che questi disegni di pale eoliche simili a eliche convertono l’energia del vento in potenza utilizzabile sull’albero, chiamata coppia. Questo si ottiene estraendo l’energia dal vento rallentandolo o decelerandolo mentre passa sopra le pale. Le forze che decelerano il vento sono uguali e opposte alle forze di sollevamento di tipo spinta che fanno ruotare le pale.
Proprio come l’ala di un aeroplano, le pale delle turbine eoliche lavorano generando portanza grazie alla loro forma curva. Il lato con la maggior parte della curva genera una bassa pressione dell’aria, mentre l’aria ad alta pressione sottostante spinge sull’altro lato del profilo a forma di lama. Il risultato netto è una forza di sollevamento perpendicolare alla direzione del flusso dell’aria sulla pala della turbina. Il trucco qui è progettare la pala del rotore in modo tale da creare la giusta quantità di portanza e spinta della pala del rotore, producendo una decelerazione ottimale dell’aria e quindi una migliore efficienza della pala.
Se le pale dell’elica della turbina ruotano troppo lentamente, permette a troppo vento di passare indisturbato, e quindi non estrae tanta energia quanto potrebbe potenzialmente. D’altra parte, se la pala dell’elica ruota troppo velocemente, appare al vento come un grande disco rotante piatto, che crea una grande quantità di resistenza.
Quindi il rapporto ottimale di velocità di punta, TSR, che è definito come il rapporto tra la velocità della punta del rotore e la velocità del vento, dipende dal profilo della forma della pala del rotore, dal numero di pale della turbina, e dal design della pala dell’elica della turbina eolica stessa. Quindi, qual è la migliore forma di lama e design per le pale delle turbine eoliche.
Generalmente, le pale delle turbine eoliche sono modellate per generare la massima potenza dal vento al minimo costo di costruzione. Ma i produttori di pale eoliche sono sempre alla ricerca di un design di pala più efficiente. I miglioramenti costanti nella progettazione delle pale eoliche hanno prodotto nuovi design di turbine eoliche che sono più compatte, più silenziose e sono in grado di generare più potenza da meno vento. Si ritiene che curvando leggermente la lama della turbina, siano in grado di catturare dal 5 al 10 per cento in più di energia eolica e di operare in modo più efficiente in aree che hanno tipicamente velocità del vento più basse.
Design delle pale eoliche
Quindi quale tipo di forma delle pale produrrebbe la maggior quantità di energia per una turbina eolica? – Le pale piatte sono il design più antico e sono state usate per migliaia di anni sui mulini a vento, ma questa forma piatta e larga sta diventando meno comune rispetto ad altri tipi di design delle pale. Le pale piatte spingono contro il vento, e il vento spinge contro le pale.
La rotazione risultante è molto lenta perché le pale che ruotano indietro nella corsa verso l’alto dopo aver generato potenza sono in opposizione all’uscita di potenza. Questo perché le pale si comportano come enormi pale che si muovono nella direzione sbagliata, spingendo contro il vento, dando loro il nome di pale del rotore basate sul trascinamento.
Tuttavia, i progetti di pale piatte offrono vantaggi significativi per il fai da te rispetto ad altri progetti di pale eoliche. Le pale del rotore piatte sono facili ed economiche da tagliare da un foglio di compensato o di metallo, assicurando che le pale abbiano una forma e dimensioni coerenti. Sono anche le più facili da capire che richiedono meno abilità di progettazione e costruzione, ma la loro efficienza e la facilità di generare energia elettrica è molto bassa.
Le pale curve sono molto simili a un’ala lunga dell’aereo (conosciuta anche come un profilo aerodinamico) che ha una superficie curva in cima. La lama curva ha l’aria che scorre intorno ad essa con l’aria che si muove sopra la parte superiore curva della lama più velocemente di quanto non faccia sotto il lato piatto della lama, che rende una zona di pressione inferiore sulla parte superiore, e quindi, come risultato, è soggetta a forze di sollevamento aerodinamico che creano movimento.
Queste forze di sollevamento sono sempre perpendicolari alla superficie superiore della lama curva che causa la lama di muoversi in rotazione intorno al mozzo centrale. Più veloce soffia il vento, più portanza viene prodotta sulla pala, quindi più veloce è la rotazione. I vantaggi di una pala del rotore curva rispetto a una pala piatta è che le forze di sollevamento permettono alle punte delle pale di una turbina eolica di muoversi più velocemente del vento, generando più potenza e maggiore efficienza. Di conseguenza, le pale delle turbine eoliche basate sulla portanza stanno diventando sempre più comuni. Inoltre, le pale eoliche in pvc fatte in casa possono essere tagliate da tubi di drenaggio di dimensioni standard che hanno la forma curva già incorporata dando loro la migliore forma di lama.
Flusso d’aria e prestazioni delle pale curve
Ma le pale curve soffrono anche di resistenza lungo la sua lunghezza che cerca di fermare il movimento della lama. La resistenza è essenzialmente l’attrito dell’aria contro la superficie della pala. La resistenza è perpendicolare alla portanza ed è nella stessa direzione del flusso d’aria lungo la superficie della pala. Ma possiamo ridurre questa forza di resistenza piegando o torcendo la lama e anche rastremandola lungo la sua lunghezza, producendo il design più efficiente delle pale eoliche.
L’angolo tra la direzione del vento in arrivo e il passo della lama rispetto al vento in arrivo è chiamato “angolo di attacco”. Quando questo angolo di attacco diventa più grande, si crea più portanza, ma quando l’angolo diventa ancora più grande, maggiore di circa 20o, la pala comincerà a diminuire la portanza. Quindi c’è un angolo di passo ideale della pala del rotore che crea la migliore rotazione e le moderne pale del rotore delle turbine eoliche sono effettivamente progettate con una torsione lungo la loro lunghezza da un passo ripido alla loro radice a un passo molto superficiale sulla loro punta.
Poiché la velocità in punta di una pala rotante è più veloce di quella alla radice o al centro, le moderne pale dei rotori sono ruotate per tutta la loro lunghezza da 10 a 20o dalla radice alla punta, in modo che l’angolo di attacco diminuisca da dove l’aria si muove relativamente lentamente vicino alla radice, a dove si muove molto più velocemente in punta. Questa torsione della lama massimizza l’angolo di attacco lungo la lunghezza, ottenendo la migliore portanza e rotazione.
In conclusione, la lunghezza delle pale di un rotore di turbine eoliche determina quanta potenza del vento può essere catturata mentre ruotano intorno a un mozzo centrale e le prestazioni aerodinamiche delle pale delle turbine eoliche sono molto diverse tra una lama piatta e una lama curva. Le pale piatte sono economiche e facili da realizzare ma hanno elevate forze di resistenza che le rendono lente e inefficienti.
Per aumentare l’efficienza delle pale delle turbine eoliche, le pale del rotore devono avere un profilo aerodinamico per creare portanza e far ruotare la turbina, ma le pale curve di tipo aerofoil sono più difficili da realizzare ma offrono prestazioni migliori e velocità di rotazione più elevate che le rendono ideali per la generazione di energia elettrica.
Ma per ottenere il miglior design per le pale delle turbine eoliche possiamo migliorare l’aerodinamica e l’efficienza ancora di più utilizzando pale del rotore a elica ritorta e affusolata. La torsione della pala cambia l’angolo del vento lungo la pala con l’effetto combinato della torsione e della rastremazione della pala lungo la sua lunghezza migliora l’angolo di attacco aumentando la velocità, l’efficienza e riducendo la resistenza. Inoltre, le lame affusolate sono più forti e più leggere delle lame dritte in quanto le sollecitazioni di flessione sono ridotte.
Il design delle pale delle turbine eoliche è fondamentale per far funzionare una turbina eolica secondo le aspettative. Le innovazioni e le nuove tecnologie utilizzate per la progettazione della pala della turbina eolica non si sono fermate qui, come nuove formule e disegni sono considerati per migliorare le loro prestazioni, efficienza e potenza in uscita ogni giorno.
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