¿Por qué 3 es el número óptimo de palas en una turbina eólica en lugar de decir 5 o más?

Hablamos de esto en mi clase de Dinámica de tercer año en el MIT. Mi profesora, Sheila Widnall, del departamento de Aero Astro, me lo explicó así:

Solo teniendo en cuenta el flujo potencial, una turbina eólica de una pala es el diseño de turbina más eficiente. En términos muy simples, esto puede explicarse porque la pala de la turbina barre 360 ​​grados antes de encontrar su estela. Sin embargo, solo tener una cuchilla causa muchos problemas estructural y dinámicamente, por lo que no es muy factible a gran escala.

Una turbina de dos palas es la siguiente más eficiente porque cada pala barre 180 grados antes de alcanzar la estela de la otra pala, pero obtienes algo llamado charla de guiñada cuando la turbina gira (guiñando) para enfrentar el viento. La vibración de guiñada es una velocidad de guiñada oscilante armónica que produce mucho ruido, vibración y tensión en la torre. La dinámica de esto es complicada, pero esto sucede básicamente porque hay dos ejes principales de momento de inercia distintos en el plano barrido por las palas de la turbina: paralelos a las palas y perpendiculares a las palas.

Una turbina eólica de tres palas tiene ejes de principio infinito en el plano barrido por las palas, lo que lo convierte en el diseño de turbina más eficiente sin tener problemas dinámicos. Es por eso que casi todas las grandes turbinas eólicas en estos días son de tres palas.

Sin embargo, lo que acabo de decir anteriormente no tiene en cuenta los efectos viscosos y turbulentos. Existe evidencia experimental de que para turbinas de menor escala o a velocidades más altas, agregar más álabes en realidad puede aumentar la eficiencia y otras cosas como la velocidad de arranque. Sin embargo, actualmente no hay una teoría establecida detrás de esto. Por lo tanto, esas icónicas turbinas con muchas palas que se usaron para bombear agua en los estados del medio oeste a principios del siglo pasado pueden no haber sido tan tontas como sugiere la teoría.

Esto es pura especulación, por lo que sopesar la opinión en consecuencia.

La eficiencia de un ala en sentido transversal está directamente relacionada con la relación de aspecto. Cuanto más larga sea la pala, más eficiente será para moverse porque el viento lo quiere. En otras palabras, una pala más larga proporcionará más energía de una velocidad de viento dada. Una sola cuchilla increíblemente larga sería la mejor para viento bajo, por ejemplo.

Sin embargo, necesitamos equilibrar la carga sobre los rodamientos en el cubo, por lo que necesitamos al menos dos cuchillas. Pero dos pueden ser un poco tensos para los rodamientos, ya que el viento en la parte superior siempre es más fuerte que el viento en la parte inferior. Entonces agregamos un tercero. Esto no solo equilibra la carga sobre los rodamientos, sino que también permite que las cuchillas sean más livianas y fuertes.

También proporciona una provisión de poder más estable y mayor . El poder sería energía por unidad de tiempo. Aunque una cuchilla proporciona más energía total, tres proporcionarán menos energía, pero la proporcionarán de manera más rápida y eficiente.

En realidad, cuatro o cinco palas podrían ser la norma en algún lugar como el Mar del Norte, donde los vientos son siempre altos. En realidad no lo se. Eso permitiría que las cuchillas sean más cortas y más fuertes, y permitiría que el generador gire más rápido y de manera más consistente.

De nuevo … pura especulación.

No soy ingeniero, así que esta es la comprensión general de un laico.

La compensación es esencialmente entre los costos de materiales y construcción y el valor de la energía con consideración adicional dada a la aerodinámica y la física. Sé esto porque en un momento logré una inversión en una empresa que diseñó y construyó turbinas eólicas de dos palas de 1 MW (frente al diseño más tradicional de tres palas).

Fundamentalmente, las superficies de las palas es lo que traduce el viento en movimiento lateral, por lo que cuantas más palas, más área superficial debe interactuar el viento. Pero la ecuación para el% de edad de la energía eólica capturada es asimétrica en algún lugar por debajo del 100% y cada pala adicional contribuirá con menos energía adicional que la anterior. Por lo tanto, hay un análisis de costo marginal que determina en qué punto la producción de energía adicional no está justificada por el costo incremental del material.

También se debe tener en cuenta que durante la construcción, se usa una grúa para levantar todos los materiales a la parte superior de la torre para el ensamblaje final. Cuantas más cuchillas, mayor es el número de “elevadores” que se deben realizar para completar el ensamblaje. La belleza del diseño de dos palas fue que la góndola y las palas se podían conectar en el suelo con un solo elevador que lleva todo el ensamblaje a la parte superior de la torre, lo que lleva a un costo de construcción significativamente reducido por MW.

Sin embargo, en gran medida en la forma en que el colapso de los precios fotovoltaicos eliminó la oportunidad de tecnologías solares alternativas, la desaceleración de la inversión en tecnología limpia hizo que fuera extremadamente difícil comercializar completamente las turbinas de dos palas a pesar de su economía convincente. De hecho, muchas compañías están analizando por segunda vez los sistemas de dos palas para turbinas en alta mar.

Las turbinas eólicas de dos palas vuelven

No puedo decir que haya visto una turbina de cuatro palas (o más) en el campo.

En primer lugar, es mejor mencionar el hecho de que ninguna turbina eólica puede ser 100% eficiente debido al hecho de que para ser 100% eficiente, el viento en el lado de sotavento o detrás de la turbina eólica debe reducirse a cero y, si eso sucede, el aire en la parte delantera no puede moverse a través de las palas, por lo tanto, existe un límite para la frecuencia máxima que se puede lograr independientemente del número de palas en la turbina eólica.

La ley de Betz indica la potencia máxima que se puede extraer del viento, independientemente del diseño de una turbina eólica en flujo abierto. Fue publicado en 1919 por el físico alemán Albert Betz.

La ley se deriva de los principios de conservación de la masa y el impulso de la corriente de aire que fluye a través de un “disco actuador” idealizado que extrae energía de la corriente del viento. Según la ley de Betz, ninguna turbina puede capturar más del 16/27 (59,3%) de la energía cinética en el viento. El factor 16/27 (0.593) se conoce como coeficiente de Betz. Las prácticas turbinas eólicas a escala de servicios públicos alcanzan en el pico 75% a 80% del límite de Betz.

El límite de Betz se basa en un actuador de disco abierto. Si se usa un difusor para recoger el flujo de viento adicional y dirigirlo a través de la turbina, se puede extraer más energía, pero el límite aún se aplica a la sección transversal de toda la estructura.

Ahora se debe mencionar el hecho de que la mejor manera de obtener mucha potencia o energía de una pala es permitir que el aire sólido se mueva alrededor de la pala de la turbina. Esto significa que lo mejor para que esto suceda es una cuchilla, ya que se necesita una revolución completa para que la cuchilla caiga bajo la influencia de la estela turbulenta de la cuchilla anterior que pasó una posición particular. El siguiente mejor es la turbina de dos palas, ya que para dos palas se necesitan 180 grados para que una pala se encuentre bajo la turbulencia de la pala anterior que pasó esa posición en particular. Para tres cuchillas, son solo 120 grados antes de que una cuchilla sienta la turbulencia de la cuchilla anterior, por lo que esta filosofía continuará hasta que con muchas cuchillas no tenga más remedio que estar satisfecho con un movimiento muy lento, ya que cada cuchilla no funcionará con sólidos aire a través de él debido a la turbulencia de la cuchilla más cercana ante ella.

Obviamente, la forma de la superficie aerodinámica y el diseño de la punta cuentan para hacer una mejor turbina eólica, pero teniendo en cuenta tres palas, tienen una ventaja adicional sobre una y dos palas, ya que se pueden lograr tanto el viento como el equilibrio mecánico. Con dos palas, si las palas de la turbina son verticales, cuando la turbina gira alrededor del eje vertical para encontrar una nueva dirección del viento, la pequeña inercia de la pala vertical hará que la celda de la turbina gire muy rápido, mientras que las dos palas son horizontales, por lo tanto, tienen una inercia mayor a la vertical, luego, mientras la turbina busca otra dirección del viento, la inercia es alta. Esto puede causar efectos no deseados en toda la estructura. Tres palas, a través de su distribución de peso y fuerzas dinámicas, siempre ofrecen un buen compromiso, teniendo en cuenta que la velocidad de la turbina debería ser bastante rápida para que los generadores eléctricos funcionen eficientemente en lugar de la lenta acción de bombeo de agua oscilante de los viejos AERMOTORES de palas múltiples a menudo vistos en muchos campos

3 cuchillas?

Cuantas más palas haya en una turbina eólica, mayor será el par (la fuerza que crea la rotación) y más lenta será la velocidad de rotación (debido al mayor arrastre causado por la resistencia al flujo del viento). Pero las turbinas utilizadas para generar electricidad necesitan operar a altas velocidades, y en realidad no necesitan mucho torque. Por lo tanto, cuanto menor sea el número de cuchillas, mejor se adaptará el sistema para producir energía.

¿Sabías? Alrededor del 90% de las turbinas eólicas instaladas actualmente tienen tres palas de rotor.

Teóricamente, una turbina de una pala es la configuración más eficiente aerodinámicamente. Sin embargo, no es muy práctico debido a problemas de estabilidad. Las turbinas con dos palas ofrecen el siguiente mejor diseño, pero se ven afectadas por un fenómeno de tambaleo similar a la precesión giroscópica.

Dado que una turbina eólica siempre debe mirar hacia el viento, las palas tendrán que cambiar su dirección verticalmente cuando haya un cambio en la dirección del viento. Esto se conoce como guiñada. En el caso de un sistema de dos palas, cuando las palas son verticales (es decir, en línea con la torre y el eje de rotación) hay muy poca resistencia al movimiento de guiñada.

Pero cuando las dos cuchillas están en posición horizontal, las cuchillas se extienden a una distancia mayor del eje de rotación y, por lo tanto, experimentan la máxima resistencia al guiñada (observe cómo un patinador giratorio se ralentiza cuando aleja los brazos de su cuerpo. Como resultado, el movimiento de guiñada comienza y se detiene dos veces por revolución, y esto provoca tensión en la turbina debido al ruido de las aspas.

Por otro lado, una turbina con tres palas tiene muy poca vibración o vibración. Esto se debe a que cuando una cuchilla está en posición horizontal, su resistencia a la fuerza de guiñada se contrarresta con las otras dos cuchillas. Por lo tanto, una turbina de tres palas representa la mejor combinación de alta velocidad de rotación y mínima tensión.

Más información [correo electrónico protegido]

• Asociación Canadiense de la Industria Eólica: http://www.canwea.ca/
• Precesión giroscópica: http://www.gyroscopes.org/behaviour.asp
• El papel de las armas en el patinaje artístico: http://www.bsharp.org/physics/st …

Popular Mechanics publicó un artículo sobre esto hace un tiempo. La velocidad del viento es significativamente más alta sobre el eje que cerca del suelo. Entonces, la cuchilla que pasa el punto más alto tiene la mayor “fuerza” sobre ella. Mientras tanto, la hoja que pasa cerca del suelo tiene poca fuerza sobre ella, y cuando pasa frente a la torre de soporte está en la “sombra del viento” y casi no tiene fuerza sobre ella. Un molino de viento con un número par de palas garantizará que las fuerzas máximas + mínimas siempre se produzcan al mismo tiempo, ejerciendo el mayor empuje radial (deflexión) en el eje. Esta es la razón por la cual se prefieren números impares de cuchillas, siendo tres el equilibrio óptimo de costo y potencia desarrollado.

La gente ha estado aprovechando el poder del viento durante miles de años, la evidencia más antigua registrada de esto se puede ver hace más de 1000 años en Persia. Pero estas máquinas han evolucionado desde dispositivos simples utilizados para triturar, granular y bombear agua hasta monstruos gigantes que generan suficiente electricidad para alimentar ciudades enteras.

La turbina eólica más grande tiene un diámetro de 164 metros, cada pala pesa 33 toneladas y cada una cuesta cientos de miles de dólares. Más cuchillas equivalen a más peso.

Las turbinas eólicas tradicionales han tenido muchas formas y diseños, pero todas han dado paso a un diseño de 3 palas bastante consistente. Quizás se pregunte por qué las turbinas eólicas tienen 3 palas, ¿por qué no 2 o 4?

Entonces, comparemos!

Diseño de 4 cuchillas

El diseño de 4 cuchillas se puede eliminar fácilmente con un rápido análisis de costos.

Aunque agregar una cuarta cuchilla proporciona un aumento marginal en el rendimiento, no justifica el costo adicional.

Entonces, ahora se reduce a 2 y 3 cuchillas.

Diseño de 2 cuchillas

El diseño de 2 cuchillas puede igualar el rendimiento de un diseño de 3 cuchillas de la siguiente manera:

• Al aumentar el acorde de la cuchilla en un 50%, lo que elimina la ventaja de costo, por lo que no tiene sentido.

(La longitud del acorde es la distancia entre el borde de ataque y el borde de salida de un perfil aerodinámico. Las alas tienen forma de perfil aerodinámico)

• Al aumentar su velocidad de rotación en un 22,5%. Las turbinas con 2 palas giran más rápido con el mismo viento debido a la menor resistencia que experimentan, pero girar más rápido produce más ruido. A la gente no le gustará vivir al lado de estas cosas, por lo que debemos minimizar su velocidad para minimizar su ruido.

Luego, tenemos que preocuparnos por las fuerzas centrífugas. A medida que las cuchillas giran más rápido, su peso aparente aumenta. Por lo tanto, el cubo central y las cuchillas deben ser más fuertes para resistir el estrés adicional que nuevamente agrega costos.

Diseño de 3 cuchillas

Tenemos una opción final aquí y aquí es por qué se utiliza un diseño de 3 cuchillas,

Puede generar más potencia a velocidades de rotación más lentas que un diseño de dos cuchillas, a la vez que es más rentable que un diseño de cuatro cuchillas. Entonces, el diseño de tres cuchillas es nuestra elección de Ricitos de Oro. Ni mucho ni poquito.

Escribo aquí ¡Funciona bien!

Instalar y mantener las cuchillas grandes muy arriba en el medio de
parque eólico (un lugar donde se espera que la mayor parte de los vientos naturales ocurran
¡el tiempo!) es muy, muy difícil, de hecho muy mortal. (La energía eólica mata a más personas que el carbón en el mundo occidental).
Un número impar de cuchillas significa que una (el “agujero vacío que se está instalando
por ejemplo) siempre es vertical y es más fácil trabajar con 300 pies
pluma grúa

También,
necesita ver para qué está construido el molino de viento: la “granja”
los molinos de viento casi siempre se construyeron primero para bombear agua desde aguas poco profundas
pozos antes de que hubiera electricidad disponible. (algunos, no todos) también
alimentando molinos de granos o molinos o herramientas de taller, pero el bombeo de agua era
su tarea principal Una bomba de agua requiere velocidad lenta comenzando contra
cargas tremendas: debe levantar la varilla de la bomba (300 pies de varilla de acero,
más el peso del agua atrapada por encima de la válvula de pie de la bomba) de un
punto muerto. Por lo tanto, los grandes “abanicos” de cuchillas múltiples funcionan mejor. También agua
se puede almacenar en un tanque hasta que sea necesario para ganado o caballos o la granja
casa. La ineficiencia no significa nada si no puedes levantar el agua
aunque.

Poder
la producción (producción de electricidad) requiere una completamente diferente
proceso. Arranque de alta velocidad, muy, muy bajo (casi ninguno)
torque, caída de velocidad pequeña a velocidades de viento más altas, pero buena pala
La eficiencia es esencial a altas velocidades. Entonces la forma de las cuchillas TIENE
ser diferente.

Desde el punto de vista mecánico, se recomienda tener un número par de cuchillas, por lo tanto, la cuchilla Evan equilibrará la fuerza opuesta a la que está 180 grados fuera. Sin embargo, desde el punto de vista energético, queremos tanto como podamos porque cuanto más número, más energía se puede extraer “en teoría”.

Lo cierto es que después de 3 cuchillas no hay mucha energía que pueda extraer del flujo entrante. De hecho, recuerda que tienes un límite teórico máximo. Este es el límite que utilizan los investigadores y los fabricantes para comparar su diseño o análisis. Como resultado, la pequeña mejora que obtiene al agregar una cuchilla adicional (4 por ejemplo) es insignificante en comparación con el peso, el costo y las otras razones técnicas.

Finalmente; Se ha demostrado en varios estudios basados ​​en el modelo de optimización que 3 cuchillas es la mejor relación producción / producción teórica.

Con una turbina de una o dos palas, demasiado viento pasa a través del área barrida del rotor sin interactuar con la turbina. Esa es una pérdida de energía potencial.

Además, cada cuchilla produce el par necesario para girar una caja de engranajes y un generador. Una cuchilla no produce suficiente torque para hacer girar un generador grande. Una segunda cuchilla es mejor, pero aún no produce suficiente torque para sistemas más grandes. Tres cuchillas producen suficiente torque para girar los sistemas más grandes.

Cuatro palas producirían aún más torque, pero no es necesario encender los generadores más grandes. Tres cuchillas son suficientes. El costo de agregar una cuarta cuchilla no se compensa con el beneficio adicional.

Le pregunté esto a un amigo especializado en la generación de energía eólica.

Me dijo que no hay un número mágico de cuchillas (como solía pensar y tú también lo podías hacer). La cantidad y la forma de la hoja hacen la diferencia, pero no es tan simple como “más es mejor”. El número de cuchillas es una compensación de muchos aspectos por los que el diseñador debe preocuparse.

Una turbina con una o dos palas sería demasiado inestable debido a las diferentes cargas sobre la estructura. Si agrega más blades, puede aumentar la estabilidad y la eficiencia, pero también aumentará la complejidad y los costos. Tres cuchillas es simplemente el punto ideal para la mayoría de los proyectos.

Sin embargo, en el caso del ventilador de techo, creo que tiene 3 aspas simplemente porque sí. Especialmente para el mercado de consumo, el factor estético juega un papel muy importante.

Además de la relación de velocidad de la punta, el número de palas afecta la velocidad mínima del viento necesaria para hacer girar la turbina, o la velocidad de corte . Una turbina monoblade es la más eficiente a una velocidad determinada donde gira, pero una turbina multiblade tiene una velocidad de corte más baja que se adapta mejor a la variabilidad del viento.

En términos del número de palas, la turbina eólica se puede clasificar en palas simples, palas dobles, palas triples y tipos de palas múltiples. El número de cuchillas está determinado por muchos factores, incluida la eficiencia aerodinámica, la complejidad, el costo, el ruido y la estética.

En general, las turbinas eólicas a gran escala adoptan palas dobles o triples. La turbina eólica con menos palas requiere una velocidad de rotación más alta para explotar la energía eólica, haciendo así más ruidos. Mientras tanto, demasiadas cuchillas se afectarán entre sí y reducirán la eficiencia de trabajo.

Por lo tanto, las turbinas eólicas de 3 palas dominan el mercado, en parte porque se ven más estables y estéticas. Puede consultar nuestro sitio web para obtener más información sobre la grúa de aerogeneradores. También ofrecemos una solución innovadora para la construcción de WTG.

Menos cuchillas los hace más eficientes. Hay molinos de viento con solo dos o incluso una pala. Sin embargo, menos de tres cuchillas generan mucha vibración y, por lo tanto, problemas mecánicos asociados. Por lo tanto, los molinos de viento suelen tener tres palas porque hacen mucho menos ruido que los de dos palas, lo que molestaría a los residentes. En su mayoría, los verá en lugares remotos, como en alta mar.

Los diseños de una sola pala tienen una ventaja única: en condiciones muy duras, las turbinas eólicas deben apagarse debido a los vientos demasiado fuertes. Con diseños de cuchilla única, la cuchilla puede protegerse manteniéndola detrás del poste. Los diseños de múltiples palas siempre tendrán palas expuestas al viento, lo que las hará más propensas a sufrir daños. Sin embargo, esta desventaja es un problema menor en los diseños contemporáneos.

Por lo tanto, la mayoría de las turbinas eólicas modernas que verá tendrán tres palas porque es un buen compromiso entre eficiencia, costo y efectos secundarios no deseados.

En realidad, el problema del recuento de cuchillas es una cuestión de rendimientos decrecientes. El parámetro clave para hacer que una turbina eólica sea eficiente es algo que se llama relación de velocidad de punta. Una turbina es eficiente porque las palas generan elevación, y la elevación permite que las palas se muevan mucho más rápido que la velocidad del viento. La relación de velocidad de la punta es la relación entre la velocidad a la que se mueve la punta en relación con la velocidad del viento, y el valor óptimo es de alrededor de 10.

La máxima eficiencia de potencia aerodinámica de una turbina es algo llamado límite de Betz, y en teoría es del 59%. Si pudieras construir una turbina de una pala que funciona con una relación de velocidad de punta de 10 (se sacudiría por sí sola), sería 51% eficiente. Tres cuchillas te llevan hasta alrededor del 55%. Más cuchillas simplemente no le dan suficiente amortización para gastar el dinero para agregarlas. Con dos cuchillas, la fuerza sobre la torre sería menor cuando ambas cuchillas son horizontales y tenderían a sacudir la torre.

Por lo tanto, las turbinas de 3 palas son la menor cantidad de palas que produce una carga de vibración tolerable.

Bert Cattoor lo tiene parcialmente equivocado. La eficiencia energética de una turbina eólica es una función de dos cosas: número de palas y relación de velocidad de punta (= relación de velocidad de punta de pala giratoria a velocidad del viento).

Con una pala (adecuadamente equilibrada con el contrapeso para tener el centro de masa en el eje de rotación), la eficiencia es relativamente baja porque solo hay una pala atrapando el viento, pero la eficiencia depende poco de la relación de velocidad de la punta. Entonces, funciona bien cuando el viento es variable.

Con dos cuchillas, la eficiencia máxima es mayor, pero comienza a disminuir con valores de relación de velocidad de punta lejos de lo óptimo.

Con tres cuchillas, la eficiencia máxima aumenta aún más, pero se aleja aún más del valor óptimo de la relación de velocidad de punta. Por lo tanto, se requiere un buen control de la velocidad de rotación para lograr la mayor eficiencia.

Con cada cuchilla adicional, el aumento en la eficiencia máxima se vuelve solo incremental, y la caída del pico se vuelve más aguda. Entonces, con más de 3 cuchillas, hay muy poco que ganar y mucho más control de qué preocuparse. Eso y el hecho de que cada cuchilla adicional aumenta el costo ha resuelto el asunto: tres cuchillas es lo mejor.

Hay alternativas al diseño tradicional.

http://www.bluenergyusa.com/Vide …

Una serie de innovadoras tecnologías de Bluenergy ha llevado al desarrollo y pruebas exitosas del primer sistema híbrido autónomo del mundo. Las células solares recubiertas con su proceso de fluoropolímero (una película transparente) capturan la luz solar desde cualquier ángulo y pueden fijarse a superficies curvas, lo que permite cubrir por completo, con células solares productivas, las veletas curvas de la turbina y la base en forma de cúpula que encierra su generador e inversor.
El diseño de turbina de eje vertical y doble hélice de Bluenergy Solarwind genera electricidad en brisas de hasta 4 mph y está diseñado para producir energía en vientos de hasta 90 mph.

http://www.bluenergyusa.com/

Los primeros diseños, de hecho, tenían un número mucho mayor de cuchillas. No puedo darle una explicación completa, pero 3 parece lograr el equilibrio correcto entre eficiencia aerodinámica (menos = mejor), costo (menos = mejor), masa rotacional (menos = mejor), estabilidad inercial (más = mejor, 1 = especialmente problemático) y ruido / estética (problemas con 1 y 2, 3 parece ser ideal). Sin embargo, algunas turbinas modernas tienen 2.

Se han construido prototipos de una pala con contrapesos, pero creo que tengo razón al decir que las vibraciones debidas a la presión desigual del viento en la pala en diferentes posiciones causan problemas armónicos inmanejables.

¿Alguien sabe la verdad del asunto?

Tenga en cuenta que una turbina 100% eficiente tendría un vendaval entrando en el disco de la cuchilla por un lado y nada emergiendo detrás, ¡que pagaría por ver!