Quali efficienze teoriche possono ottenere le turbine a vento / idroelettriche? [chiuso]

-2

L'acqua alta ha un po 'di energia E = mgh. Nella scuola di base, ci è stato detto che le centrali idroelettriche estraggono l'energia dell '"acqua che cade". Adesso, quel principio vietato dice che se la tua acqua cade sulle turbine ancora, perderai energia. L'acqua si trasformerà in una schiuma, vapore e calore fino a quando non rallenta alla velocità della turbina rotante. A questo punto, la metà della "caduta di energia" è persa. Ciò significa che la velocità delle turbine deve corrispondere alla velocità del flusso d'acqua.

Ora, la cascata ha la massima velocità al seminterrato e, per catturare tutta l'energia, è necessario fermare l'acqua completamente perché l'acqua che fuoriesce alla velocità v, trasporta energia $ E = mv ^ 2/2 $, dove massa m cresce linearmente con il tempo (le tue perdite si accumulano nel tempo). Queste perdite sono proporzionali alla densità dell'acqua m e alla velocità v. Ciò significa che perdiamo più energia con ciascuna unità di tempo se la velocità del flusso di uscita v è maggiore. L'unico modo per ottenere un'efficienza del 100% è fermare completamente l'acqua, a v = 0. Tuttavia, questo non implica flusso e nessuna elettricità prodotta.

Tutte queste considerazioni mi hanno fatto visita quando ho fatto alcuni alimentatori switching. L'alimentazione elettrica di commutazione raggiunge un'efficienza del 100% operando in una delle 2 modalità: piena potenza, quando l'ingresso dell'acqua è aperto al 100% per accelerare la turbina e se stesso, e potenza zero, quando l'ingresso di acqua dolce è chiuso e acqua accelerata del tutto con una massiccia turbina rallentare dal consumatore di energia (supponiamo una molla che carichiamo contro la sua forza - rallenterà il flusso con la turbina). Nell'elettronica, il ruolo del movimento dell'acqua e del rotore è giocato da un induttore costante, la cui induttanza è costante, a differenza dell'acqua, che dovrebbe arrivare in ogni momento e accumularsi in v ogni volta che si apre l'interruttore. Pertanto, interromperò completamente l'acqua in pianura, prima di rilasciarla, ottenendo il 100% di estrazione. Ma sembra che in vere e proprie centrali idroelettriche e mulini a vento, la turbina ruoti costantemente, senza alcuna commutazione.

Quindi, quali efficienze teoriche possono raggiungere il vento e le turbine idrauliche?

— Valentin Tihomirov
fonte

@ValentinTihomirov Le riflessioni ipotetiche non si adattano bene al nostro formato. Forse dovresti provare uno dei tanti forum di ingegneria?

— Chris Mueller

@ChrisMueller Gli ho fornito una domanda, non per annunciare nulla, come vedi. Sembri insistere sul fatto che le domande devono uscire dal nulla e nessuno dovrebbe attirare l'attenzione sulla questione che davvero infastidisce. In particolare, sottolineando il modo in cui l'energia viene sprecata e come può non essere sprecata, è una cattiva idea quando voglio chiedere dei limiti di efficienza. Fare così è "senza senso". Non sono cieco, capisco cosa intendi.

— Valentin Tihomirov

La massima efficienza teorica di una turbina eolica è il limite di Betz, che è $ \ frac {16} {27} $ (~ 59,3%).

Il risultato risale al 1919 .

Il limite di Betz è, come si nota, velocità invariabile. Per avere un'intuizione sul perché, considera il sistema più veloce o più lento. Questo cambia la velocità del fluido, ma non cambia nessuno dei problemi intorno alla dispersione del fluido dopo il rotore. Ciò significa che il limite non è determinato dalla velocità assoluta, ma dal rapporto tra la velocità dopo il rotore e la velocità precedente. Quel rapporto è 1: 3 - il fluido perde due terzi della sua velocità nel rotore perfetto.

È diverso nell'idro dove hai una caduta verticale. Lì, la turbina può togliere quasi tutta la velocità dall'acqua. Questo perché c'è un serbatoio sia prima che dopo la turbina, e una goccia verticale dopo la turbina. Ciò significa che la gravità può fare il lavoro di dispersione dell'acqua dopo una turbina, e c'è abbastanza volume di spazio immediatamente dietro il rotore affinché l'acqua possa viaggiare lentamente. E poiché l'acqua è molto più densa, e molto meno comprimibile, dell'aria, la sposta facilmente. Quindi otteniamo efficienze idroelettriche nel mondo reale del ~ 90%.

— EnergyNumbers
fonte

Curiosamente, non mostra alcuna dipendenza dalla velocità della downstream. Come lo escludete?

— Valentin Tihomirov

Grazie, ma voglio anche sapere dell'acqua. Ho dimostrato che è possibile raggiungere il 100% con la potenza di commutazione almeno in idroelettrica, dove l'acqua non scorre in tempo reale e, quindi, è possibile arrestarla completamente. Quindi, qual è il massimo teorico lì e perché il potere di commutazione non viene applicato in idroelettrica, dove è possibile interrompere completamente il flusso?

— Valentin Tihomirov

OK, in fondo, tu dici che i mulini stanno facendo un buon lavoro riducendo la velocità al punto in cui la soluzione (commutazione) più complessa è irrilevante. Ho accettato perché sembra che tu spieghi che la larghezza del tubo esterno è una soluzione. Dici che il generatore fondamentalmente dovrebbe funzionare come imbuto per ottenere un'alta efficienza. Ma, non capisco dove nell'imbuto collochi il generatore. Mi sembra che la velocità del flusso sia la stessa sia per i piani anteriori che per quelli posteriori delle pale, il che significa che quel flusso rallenta naturalmente nell'imbuto ma le pale non estraggono nulla.

— Valentin Tihomirov

Se la velocità del flusso fosse la stessa sui piani anteriore e posteriore delle pale, allora le pale avrebbero estratto energia zero. Non pensare all'idro come a un imbuto: è più simile a un egg-timer a clessidra, con la turbina nella vita stretta.

— EnergyNumbers

Ma dire che sembra che un singolo punto non spieghi nulla. Sto chiedendo come quel punto singolo possa raggiungere un alto rapporto $ v_ {in} / v_ {out} $, come possono i front blade sperimentare una maggiore velocità dell'acqua rispetto al back-end, se l'egg-timer a clessidra è simmetrico (il canale di input è largo o stretto come canale di uscita) e l'allargamento del canale inizia solo dietro al generatore?

— Valentin Tihomirov