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Visualizza la versione completa : costruire una turbina eolica:step by step



ike123
16-06-2009, 15:31
Mi piacerebbe riepilogare ,(con l'aiuto dei più preparati) quanto si e' detto in questi mesi sull'eolico fai da te
descrivendo passo dopo passo il dimensionamento dei vari componenti di una turbina eolica teorica
Supponiamo che ci apprestiamo a costruire una turbina per sfruttare un sito di ventosità media di circa 10 m/s e di avere a disposizione un alternatore (o generatore) con valori di targa 12V 100 A a 2000 rpm (intorno al 1 kw di potenza)
Da dove si comincia?
formula di betz,TSR,velocità angolare,calcolo della potenza sul mozzo dell'elica...insomma come va approcciato un progetto serio,partendo da cosa si vuole ottenere (kw)?
(ok qualcuno ha già scritto molto sull'argomento...confidiamo nella pazienza dei più preparati)

tommy_sp
17-06-2009, 09:29
ciao :)

dunque, direi che l'approccio debba essere più o meno questo:

1) si sceglie un tipo di turbina, a seconda della velocità del vento, se esso è turbolento o meno, se è molto variabile, se il profilo deve essere silenzioso oppure no, ecc ecc e si controlla a quale TSR si ha un rendimento maggiore da questo semplice grafico
https://wiki.duke.edu/download/attachments/13375491/turbinechart.jpg

2) data una velocità del vento e una certa potenza che si vuole estrarre, si calcola l'area spazzata dalle pale grazie alla formula P=(rho*A*R*v^3)/2 dove rho è la densità dell'aria, R è il rendimento della turbina. nel caso di generatore ad asse orizzontale da qui ricaviamo il raggio. nel caso di asse verticale possiamo impostare una altezza della turbina e quindi un raggio di rotazione (che sarà r=A/(2*h)

3) dato la velocità di rotazione ottimale del generatore, e la velocità del vento e il TSR e impostando il raggio che si è trovato /scelto prima, troveremo la velocità di rotazione della turbina a quella velocità del vento, per poi controllare se è necessaria una moltiplica con un rapporto tra la turbina e il generatore.
infatti TSR= Vtop/Vwind e Vtop= w(turb)*r ove w(turb) è la velocità angolare in rad/s.

4)trovato una certa w(turb) ottimale in uscita dalla turbina possiamo calcolarci il rapporto da interporre tra la turbina e il generatore, cioè RAPP=w(gen)/w(turb)


esempio:
Vwind= 10 m/s
P= 1000 W
n= 2000 RPM ==> w(gen)= 209.6 rad/s

1) scelta turbina:
si ipotizza una turbina darrieus ( TSRottimale= 6; considero un rendimento circa 0.4 )

2)con i dati che ho, ottengo un'area di circa 4.2 m^2
imposto un' altezza di circa 1.8 m, quindi un raggio di circa 1.15 m

3)dai calcoli col TSR=6 , Vwind = 10 ottengo w=52.4 rad/s

4)faccio il rapporto RAPP= 209.6/52.4= 4

perciò abbiamo visto che dimensionando a questa maniera il profilo alare abbiamo bisogno di una moltiplica 4:1.
se non avessi usato questo rapporto mi sarebbe venuto fuori un raggio davvero minuscolo, tipo di 30 cm, e per avere un'area di 4 m^2 avrei dovuto fare una turbina alta 13 metri!!!

ike123
17-06-2009, 11:23
ciao tommy,sei un tale grande…<o></o>
qualche domanda:<o></o>
<o></o>
1)il coefficiente di rendimento di una turbina multipala (aerodinamica intendo),se una tripala sta sullo 0,35 all’aumentare del numero di pale aumenta il coefficente? Fino al massimo teorico per assurdo di 0,60?<o></o>
Sai se ce’ una tabella coefficienti nr pale?alla mia quadripala non so quale coeff assegnare<o></o>
<o></o>
2)per quanto riguarda il dimensionamento del diametro della turbina,hai sollevato una delle questioni che mi procuravano seri problemi di comprensione dell’intera questione:<o></o>
<o></o>
sul punto 2 attraverso la formula P=(rho*A*R*v^3)/2 ricaviamo l’area spazzata dal vento e di conseguenza il raggio (lungh.pala) della turbina.<o></o>
Sul punto 3 di nuovo ricalcoli e ricavi il raggio attraverso la formula del TSR<o></o>
In breve su cosa si deve puntare per il dimensionamento, sulla velocità ottimale di funzionamento della macchina (alt o gen) o sulla potenza richiesta dalla stessa (ES: 12v * 100A = 1200 W richiesti sul mozzo elica?) <o></o>
<o></o>
3) la velocità angolare e’ una dato che può essere calcolato partendo dal numero di rpm?(credo di si….)<o></o>
<o></o>
4)Il TSR … al di là delle formule ,cos’e’?...mi rimane un concetto un tantino astratto <o></o>
<o></o>
grazie e saluti :bye1:<o></o>

tommy_sp
17-06-2009, 12:06
ciao :)

1)credo che più pale ci siano, e più perdite avrai (per l'attrito tra l'aria e le pale) quindi avrai rendimenti minori.
comunque controlla su google immagini e scrivi (in inglese) quello che cerchi.. così su due piedi non saprei che tsr ha un quadripala, ma sicuramente inferiore al tripala!

2) in realtà bisogna cercare di rispettare entrambe le cose.. ho modificato radicalmente il messaggio precedente, in realtà l'approccio piu corretto è forse quello che ho appena scritto nel messaggio modificato.

3) certo!! 1 [giri/min] = 2PI/60 [rad/s] ==> n [giri/min] = n*0.10472 [rad/s]

4)il TSR (top speed ratio) è un numero adimensionale che serve appunto in fase di studio e dimensionamento per valutare le diverse soluzioni che si possono ottenere utilizzando tsr differenti...
in soldoni, serve per capire se una turbina è lenta o veloce, a parità di vento, e per vedere come la velocità della turbina vari al variare del vento stesso.

tommy_sp
17-06-2009, 15:13
in realtà c'è da tenere conto di altre due cose:

-bisogna fare in modo che si raggiungano i 12V (o 24/48 V) necessari alla carica della batteria un po' prima della velocità del vento media
-bisogna che alla velocità media del vento non si arrivi alla potenza nominale dell'alternatore, in quanto se si supera la velocità media la potenza ceduta all'alternatore diventa maggiore della sua potenza nominale, e c'è il rischio di danneggiarlo irrimediabilmente.

perciò secondo me bisogna diminuire il raggio della turbina, in modo che diminuisca l'area spazzata e contemporaneamente aumenti la velocità della stessa.
la riduzione del raggio deve essere dale da ridurre l'area spazzata del 20-30% ad occhio

ike123
17-06-2009, 15:38
ho trovato questa cosa vediamo se funziona,calcolo il coefficente della
mia turbina(quadripala,diametro 180 cm):

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Cp=rotor power/power in the wind<o></o>



Rotor power(P)=0.5 *1200(densità aria) *(10 m/s ^3) = 0.5*1200*1000=600000<o></o>



Power in the wind=0.5 *1200* 1000 (0.9^2*3.14)<o></o>



Cp= P/0.5 p V3 (0.9^2*3.14)=600000/(600000*2.54)<o></o>



CP=600000/1524000<o></o>



Cp=0.39
:preoccupato:<o>
</o>


<!--[if !supportLineBreakNewLine]-->si ma il numero delle pale non viene richiesto?
e se cambio la velocità del vento varia il coefficente?non dovrebbe essere fisso
dato che il cp (lo 0.35 della tripala,di solito buttato lì en passant) e' nella formula della potenza estraibile da una turbina,non dovrebbe essere un valore abbastanza preciso?
<!--[endif]-->

stefanLO
17-06-2009, 15:53
<!--[if !supportLineBreakNewLine]-->si ma il numero delle pale non viene richiesto?
e se cambio la velocità del vento varia il coefficente?non dovrebbe essere fisso
dato che il cp (lo 0.35 della tripala,di solito buttato lì en passant) e' nella formula della potenza estraibile da una turbina,non dovrebbe essere un valore abbastanza preciso?
<!--[endif]-->
Il cp forse e' anche di piu per un tripala, dipende dal profilo delle pale che stai usando.Cioe' delle pale fatte bene ti aumentano il cp.
I grossi rotori commerciali tripale arrivano vicini a al limite sup. di efficienza.:spettacolo:

Wilmorel
17-06-2009, 17:54
Il TSR … al di là delle formule ,cos’e’?..


Pienamente daccordo con Tommy, ed aggiungo che mi risulta che il TSR sia un valore sperimentale, specifico per ogni tipo di turbina e per ogni modello all'interno dello stesso tipo. (asse orizzontale tripala, orizzontale multipala, verticale Savonius, verticale Darrieus bipala ecc. ecc.)

Turbine tripala con diverse pale e dimensioni, avranno TSR differenti.
Ogni turbina non è contraddistinta da un unico valore, in quanto questo dato viene usato in unione con il Coefficiente di potenza, ed in pratica nei diagrammi esprime il punto nel quale il coefficiente di potenza diventa massimo.
Esiste cioè, per ogni modello e tipo di turbina un rapporto fra la velocità periferica e la velocità del vento che rende massimo il Coefficiente di potenza.
(Ma esistono altri TSR che forniscono valori del coefficiente di potenza minori...)

Per ogni tipo di turbina, il diagramma delle relazioni fra Coefficiente di potenza e TSR, viene espressa da una curva approssimativamente a campana, più o meno acuta o schiacciata.
Il valore da assumere per il dimensionamento sarà costituito dal vertice della campana.

In ambito hobbistico, per analogia con costruzioni dello stesso tipo e dimensione, si può assumere un TSR tipico che consente di stabilire le velocità periferiche per le diverse velocità del vento, e perciò dimensionare il generatore e la eventuale trasmissione/moltiplicazione per le velocità più idonee alla ventosità del sito.

ike123
17-06-2009, 20:28
Ciao Wilmorel,
quindi per le nostre costruzioni hobbistiche ,più o meno tutte simili,
(orizzontali) possiamo assumere un valore medio del tsr di 6 e del Cp tra 0.35 e 0,40 (mi rifaccio al grafico postato da tommy nel primo post,i valori sono relativi ad una bipala) ed andare abbastanza tranquilli?

ike123
17-06-2009, 20:37
ciao stefanlo,i progetti industriali si avvalgono anche di pale a passo variabile
per cui diciamo che sono fuori portata per noi
ci accontentiamo di creare un modelo di una buona turbina del genere di quelle che trovi in commercio a qualche migliaio di euro con potenza massima di un KW
per fare un buon lavoro e' necessario conoscere bene ogni parametro in gioco ... lo scopo del thread che ho aperto e' proprio questo
saluti:bye1:

Wilmorel
17-06-2009, 20:37
Esprimo una opinione.
Prenderei in considerazione quel valore molto alto per le grandi turbine commerciali, con pale in vetroresina o fibre di carbonio con finitura superficiale molto accurata e profilatura ed equilibratura perfette, cuscinetti e meccanismi di qualità, regolazione a microprocessore.
Per piccole turbine autocostruite non andrei oltre il 5 e lo considererei già abbondante.
Stesso discorso per il coefficiente di potenza: 3.5 e a fatica 4.
Poi le prove sul campo saranno sinceri giudici...

caporali66
17-06-2009, 21:43
"Supponiamo che ci apprestiamo a costruire una turbina per sfruttare un sito di ventosità media di circa 10 m/s e di avere a disposizione un alternatore (o generatore) con valori di targa 12V 100 A a 2000 rpm (intorno al 1 kw di potenza)
Da dove si comincia?"

credo che dovremmo cominciare dalla realta dei fatti, cioè progettare una turbina ideale in un sito con ventosità media di 4 m/s e non di 10 m/s

ike123
17-06-2009, 22:58
:) hai ragione,10 m/s di media poi,il 10 serviva per semplificare i calcoli...4 m/s però sono un po pochini,cosi escludi a priori l'eventuale utilizzo di un alternatore auto...se poi l'obiettivo finale e' la turbina perfetta, potrebbe essere una bella sfida

paolosport
13-07-2009, 15:29
Buongiorno a tutti,
Ike il TSR lo scegli tu quando progetti la turbina, non ci sono TSR preassegnati in base al numero di pale!!!!!

Ciao
Saluti
Paolo

stefanLO
13-07-2009, 15:58
Se si vuole estrarre potenza da un sito ventoso 3 pale van piu che bene. Oltre le 3 pale ce un calo di efficienza da non sottovalutare.

ike123
14-07-2009, 12:10
ciao paolo,però il grafico postato da tommy assegna un tsr a seconda del tipo di turbina...???
puoi fare un esempio di calcolo del tsr di un sito ipotetico?partendo cioe' dall'esigenza finale (1 kw,tripala o quadipala o più...)

paolosport
16-07-2009, 15:14
Ciao Ike,
il grafico a cui tu ti riferisci di solito mostra i valori ottimali per ogni tipo di turbina...
per assurdo un tripala può avere TSR da 1 fino a (diciamo) 10/12.


Il TSR adatto per il tuo mulino lo calcoli sapendo: diametro del rotore, giri/min alternatore richiesti alla velocità di cut-in, velocità del vento di cut-in.

Il TSR, a parità di potenza erogata, determina anche la relazione tra coppia e numero di giri.

La potenza fa parte di un altro "film", dove entrano in gioco velocità del vento e diametro della turbina.

Tu Ike chiedi info per un aerogeneratore da 1 kW ma dovrai darci i seguenti dati:
1) Velocità del vento alla quale vorresti 1 kW di potenza
2) Numero di giri necessari al tuo alternatore ad 1 kW di potenza teorica all'albero

Non so se sono stato abbastanza chiaro...spero di si.
Un saluto a tutti!
Paolo

ike123
17-07-2009, 15:44
Ciao Paolo,diciamo che ipotizzo di utilizzare un alternatore 12V 80/100 ampere
con potenza nominale a 2000 giri al minuto,sfruttando venti medi di circa 7/8 m/s
non so se hai visto il mio progetto,con la moltiplica e il vento a disposizione,con un adeguato dimensionamento delle pale potrei arrivarci e se 1 kw e' troppo capire perlomeno la configurazione adatta per una potenza anche minore (500/800 W)
non riesco però ad integrare il concetto di TSR con quanto ho appreso riguardo il calcolo della potenza della turbina (la nota formula più volte espressa nei post precedenti)
Ciao
Saluti