Alternative Energy Tutorials
Vindmølledesign til vindkraft
Hjertet i ethvert system til produktion af vedvarende vindkraft er vindmøllen. Vindmølledesigns består generelt af en rotor, en jævnstrømsgenerator (DC) eller en vekselstrømsgenerator (AC), som er monteret på et tårn højt over jorden.
Så hvordan er vindmøller designet til at producere elektricitet?. I sin enkleste form er en vindmølle det modsatte af en hus- eller skrivebordsventilator. Ventilatoren bruger elektricitet fra elnettet til at rotere og cirkulere luften, hvilket skaber vind. Vindmølledesigns på den anden side bruger vindens kraft til at generere elektricitet. Vindens bevægelse drejer eller roterer møllens vinger, som opfanger vindens kinetiske energi og omdanner denne energi til en roterende bevægelse via en aksel, der driver en generator og producerer elektricitet som vist.
Typisk vindmøllegeneratordesign
Billedet ovenfor viser de grundlæggende komponenter, der indgår i et typisk vindmølledesign. En vindmølle udvinder den kinetiske energi fra vinden ved at bremse vinden og overføre denne energi til den snurrende aksel, så det er vigtigt at have et godt design. Den tilgængelige energi i vinden, der kan høstes, afhænger både af vindhastigheden og af det område, der fejes af de roterende møllevinger. Så jo højere vindhastighed eller jo større rotorbladene er, jo mere energi kan der hentes ud af vinden. Vi kan altså sige, at vindmøllers energiproduktion afhænger af samspillet mellem rotorbladene og vinden, og det er dette samspil, der er vigtigt for vindmølledesignet.
For at forbedre dette samspil og dermed øge effektiviteten findes der to typer vindmølledesigns. Den almindelige horisontale akse og den vertikale aksekonstruktion. Vindmølledesignet med vandret akse fanger mere vind, så effekten er højere end ved vindmølledesignet med lodret akse. Ulempen ved det horisontalakse design er, at det tårn, der kræves for at bære vindmøllen, er meget højere, og at designet af rotorbladene skal være meget bedre.
Den vertikalakse turbine eller VAWT er nemmere at designe og vedligeholde, men giver lavere ydelse end de horisontalakse typer på grund af det store luftmodstand fra dens enkle rotorbladdesign. De fleste vindmøller, der genererer elektricitet i dag enten kommercielt eller i hjemmet, er horisontalakse maskiner, så det er disse typer vindmølledesign, vi vil se på i denne vindmølle tutorial.
– Rotoren – Dette er den vigtigste del af et moderne vindmølle design, der opsamler vindens energi og omdanner den til mekanisk kraft i form af rotation. Rotoren består af to eller flere “rotorblade” af lamineret træ, glasfiber eller metal og et beskyttende nav, der roterer (deraf navnet) omkring en central akse.
Som en flyvemaskinevinge fungerer vindmøllevinger ved at generere løft på grund af deres buede form. Rotorbladene uddrager en del af den kinetiske energi fra de bevægelige luftmasser i henhold til løfteprincippet med en hastighed, der bestemmes af vindhastigheden og bladenes form. Nettoresultatet er en løftekraft vinkelret på luftstrømmenes strømningsretning. Tricket er så at udforme rotorbladet således, at det skaber den rette mængde løfte- og drivkraft fra rotorbladet, der giver en optimal afbremsning af luften og ikke mere.
Der er desværre ikke muligt for møllernes rotorblade at opfange 100 % af al vindkraft, da det ville betyde, at luften bag møllevingerne ville være helt stille og derfor ikke ville tillade mere vind at passere gennem bladene. Den teoretiske maksimale effektivitet, som møllens rotorblade kan udvinde vindenergi, er på mellem 30 og 45 %, hvilket afhænger af følgende rotorbladvariabler: Bladdesign, antal blade, bladlængde, bladets hældning/vinkel, bladform, samt bladmaterialer og vægt for blot at nævne nogle få.
– Bladdesign – Rotorbladdesigns fungerer enten efter princippet om løfte- eller trækmetoden til at udvinde energi fra de strømmende luftmasser. Løftebladskonstruktionen anvender det samme princip, som gør det muligt for flyvemaskiner, drager og fugle at flyve, idet der produceres en løftekraft, som er vinkelret på bevægelsesretningen. Rotorbladet er i det væsentlige en aerofoil eller en vinge, der har samme form som en flyvemaskinevinge. Når bladet skærer gennem luften, skabes der en vindhastigheds- og trykforskel mellem bladets øverste og nederste flader.
Trykket på den nederste flade er større og virker således til at “løfte” bladet opad, så vi ønsker at gøre denne kraft så stor som muligt. Når bladene er fastgjort til en central rotationsakse, som f.eks. en vindmøllerotor, omsættes dette løft til en rotationsbevægelse.
Op imod denne løftekraft står en modstandskraft, som er parallel med bevægelsesretningen og forårsager turbulens omkring bladets bagkant, når det skærer gennem luften. Denne turbulens har en bremsende virkning på bladet, så vi ønsker at gøre denne modstandskraft så lille som muligt. Kombinationen af løft og modstand får rotoren til at dreje som en propel.
Dragkonstruktioner anvendes mere til vertikale vindmøllekonstruktioner, som har store skålformede eller buede vinger. Vinden skubber bogstaveligt talt bladene ud af vejen, som er fastgjort til en central aksel. Fordelene ved slæbende konstruerede rotorblade er langsommere rotationshastigheder og et højt drejningsmoment, hvilket gør dem nyttige til vandpumpning og til drift af landbrugsmaskiner. Vindmøller med løftekraft har en meget højere omdrejningshastighed end vindmølletyper med træk og er derfor velegnede til elproduktion.
– Bladantal – Antallet af rotorblade i en vindmølle er generelt bestemt af den aerodynamiske effektivitet og omkostningerne. Den ideelle vindmølle ville have mange tynde rotorblade, men de fleste horisontalakse vindmøllegeneratorer har kun et, to eller tre rotorblade. En forøgelse af antallet af rotorblade til over tre giver kun en lille stigning i rotorens effektivitet, men øger omkostningerne, så der er normalt ikke behov for mere end tre blade, men der findes små, højspindende flerbladede turbinegeneratorer med mange blade til hjemmebrug. Generelt gælder det, at jo færre blade der er, jo mindre materiale er der brug for under fremstillingen, hvilket reducerer de samlede omkostninger og kompleksiteten.
Enkeltbladede rotorer har en modvægt på den modsatte side af rotoren, men lider under høj materialestress og vibrationer på grund af den ujævne rotationsbevægelse af det enkelte blad, som skal bevæge sig hurtigere for at opsamle den samme mængde vindenergi. Med enkelt- eller endog dobbeltbladede rotorer passerer størstedelen af den tilgængelige luftbevægelse og dermed vindkraften gennem turbinens ujævne tværsnitsareal uden at interagere med rotoren, hvilket mindsker deres effektivitet.
Multibladede rotorer har på den anden side en mere jævn rotation og et lavere støjniveau. Lavere rotationshastigheder og drejningsmoment er muligt med flerbladede konstruktioner, hvilket reducerer spændingerne i drivlinjen, hvilket resulterer i lavere omkostninger til gearkasser og generatorer. Vindmøllekonstruktioner med mange vinger eller meget brede vinger vil dog blive udsat for meget store kræfter i meget stærk vind, hvilket er grunden til, at de fleste vindmøllekonstruktioner anvender tre rotorblade.
– Et ulige eller lige antal rotorblade? – En vindmøllekonstruktion med et “lige” antal rotorblade, 2, 4 eller 6 osv., kan have stabilitetsproblemer under rotation. Dette skyldes, at hvert rotorblad har et nøjagtigt modsat blad, som er placeret 180o i den modsatte retning. Når rotoren roterer, vil det øjeblik, hvor det øverste blad peger lodret opad (klokken 12), det nederste blad pege lige nedad foran møllens støttetårn. Resultatet er, at det øverste blad bøjer bagud, fordi det modtager den maksimale kraft fra vinden, kaldet “thrust loading”, mens det nederste blad passerer ind i det vindfri område lige foran støttetårnet.
Denne ujævne bøjning af møllens rotorblade (det øverste bøjet i vinden og det nederste lige) ved hver vertikal justering giver uønskede kræfter på rotorbladene og rotorakslen, da de to blade bøjer frem og tilbage, når de roterer. For en lille stiv mølle med stive aluminiums- eller stålblade er dette måske ikke et problem i modsætning til længere glasfiberforstærkede plastblade.
En vindmøllekonstruktion med et “ODD”-antal rotorblade (mindst tre blade) roterer mere jævnt, fordi de gyroskopiske og bøjende kræfter er mere jævnt fordelt på tværs af bladene, hvilket øger møllens stabilitet. Den mest almindelige vindmøllekonstruktion med ulige blade er den trebladede mølle. Strømvirkningsgraden for en trebladet rotor er lidt højere end for en tobladet rotor af samme størrelse, og på grund af det ekstra blad kan de rotere langsommere, hvilket mindsker slitage og støj.
For at undgå turbulens og interaktion mellem de tilstødende blade skal afstanden mellem hvert blad i en flerbladet konstruktion og dens rotationshastighed også være stor nok, således at et blad ikke støder på den forstyrrede, svagere luftstrøm, der skyldes, at det foregående blad passerer det samme punkt lige før det. På grund af denne begrænsning har de fleste vindmøller af ulige type højst tre vinger på deres rotorer og roterer generelt ved lavere hastigheder.
Generelt set integreres trebladede møllerotorer bedre i landskabet, er mere æstetisk tiltalende og er mere aerodynamisk effektive end tobladede konstruktioner, hvilket bidrager til, at trebladede vindmøller er mere dominerende på markedet for vindkraftproduktion. Selv om visse producenter fremstiller to- og seks-bladede vindmøller (til sejlbåde). Andre fordele ved ulige (trebladede) rotorer er bl.a. en mere jævn drift, mindre støj og færre fugleangreb, hvilket opvejer ulemperne ved de højere materialeomkostninger. Støjniveauet påvirkes ikke væsentligt af antallet af blade.
– Rotorbladslængde – Tre faktorer bestemmer, hvor meget kinetisk energi der kan udvindes fra vinden af en vindmølle: “luftens tæthed”, “vindens hastighed” og “rotorens areal”. Luftens massefylde afhænger af, hvor langt over havniveau man befinder sig, mens vindhastigheden styres af vejret. Vi kan dog kontrollere det roterende areal, som rotorbladene fejer, ved at øge deres længde, da rotoren er afgørende for, hvor meget kinetisk energi en vindmølle kan indfange fra vinden.
Rotorbladene roterer rundt om et centralt leje og danner en perfekt cirkel på 360o, når den roterer, og som vi ved fra skolen, er arealet af en cirkel givet som: π.r2. Så i takt med at rotoren får et større slagareal, øges det område, den dækker, også med kvadratet på radius. En fordobling af længden af en vindmølles vinger resulterer således i en firedobling af dens areal, hvilket gør det muligt for den at modtage fire gange så meget vindenergi. Dette øger imidlertid i høj grad størrelsen, vægten og i sidste ende omkostningerne ved vindmøllekonstruktionen.
Et vigtigt aspekt af bladlængden er rotorens roterende spidshastighed, der er resultatet af vinkelhastigheden. Jo længere turbinebladets længde er, jo hurtigere roterer spidsen ved en given vindhastighed. På samme måde gælder det for en given længde af rotorbladet, at jo højere vindhastighed, jo hurtigere rotation. Så hvorfor kan vi ikke have en vindmøllekonstruktion med meget lange rotorblade, der fungerer i et vindfyldt miljø og producerer masser af gratis elektricitet fra vinden? Svaret er, at der kommer et punkt, hvor længden af rotorbladene og vindhastigheden faktisk reducerer møllens virkningsgrad. Det er derfor, at mange større vindmøllekonstruktioner roterer ved meget lavere hastigheder.
Effektiviteten er en funktion af, hvor hurtigt rotorspidsen roterer for en given vindhastighed, hvilket giver et konstant forhold mellem vindhastighed og spids kaldet “tip-speed ratio” ( λ ), som er en dimensionsløs enhed, der bruges til at maksimere rotorens effektivitet. Med andre ord er “tip-speed ratio” (TSR) forholdet mellem den roterende bladspids’ hastighed i omdrejninger pr. minut og vindens hastighed i mph, og en god vindmøllekonstruktion vil bestemme rotorens effekt for enhver kombination af vind og rotorhastighed. Jo større dette forhold er, jo hurtigere roterer vindmøllens rotor ved en given vindhastighed. Den akselhastighed, som rotoren er fastlåst til, angives i omdrejninger pr. minut (rpm) og afhænger af møllevingernes spidshastighed og diameter.
En mølles rotationshastighed er defineret som: rpm = vindhastighed x spidshastighedsforhold x 60 / (diameter x π).
Hvis en møllerotor roterer for langsomt, lader den for meget vind passere uforstyrret igennem og udvinder således ikke så meget energi, som den kunne. På den anden side, hvis rotorbladet roterer for hurtigt, fremstår det for vinden som én stor flad roterende cirkulær skive, hvilket skaber store mængder modstand og spidstab, der bremser rotoren. Derfor er det vigtigt at tilpasse turbinens rotationshastighed til en bestemt vindhastighed, så man opnår den optimale effektivitet.
Turbinerotorer med færre blade opnår deres maksimale effektivitet ved højere tiphastighedsforhold, og generelt har trebladede vindmølledesigns til elproduktion et tiphastighedsforhold på mellem 6 og 8, men vil køre mere jævnt, fordi de har tre blade. På den anden side har møller, der anvendes til vandpumpning, et lavere tiphastighedsforhold på mellem 1,5 og 2, da de er specielt konstrueret til at generere et højt drejningsmoment ved lave hastigheder.
– Rotorbladets hældning/vinkel – vindmøllerotorblade i fast design er generelt ikke lige eller flade som flyvemaskinevinger, men har i stedet en lille drejning og en lille tilspidsning langs deres længde fra spids til rod for at tage højde for de forskellige rotationshastigheder langs bladet. Denne drejning gør det muligt for bladet at absorbere vindens energi, når vinden kommer mod det fra forskellige tangentielle vinkler og ikke kun ligeud. Et lige eller fladt rotorblad vil holde op med at give løft og kan endda stoppe (stall), hvis rotorbladet rammes af vinden i forskellige vinkler, kaldet “angrebsvinkel”, især hvis denne angrebsvinkel er for stejl.
For at holde rotorbladet i en optimal angrebsvinkel, der øger løftet og effektiviteten, er vindmøllebladene generelt snoet i hele bladets længde. Desuden forhindrer denne vridning i vindmølledesignet rotorbladene i at dreje for hurtigt ved høje vindhastigheder.
For meget store vindmølledesigns, der anvendes til elproduktion, kan denne vridning af bladene imidlertid gøre deres konstruktion meget kompliceret og dyr, så der anvendes en anden form for aerodynamisk styring for at holde bladenes angrebsvinkel perfekt afstemt med vindretningen.
Den aerodynamiske effekt, der produceres af vindmøllen, kan styres ved at justere vindmøllens pitchvinkel i forhold til vindens angrebsvinkel, når hvert blad roteres om sin længdeakse. Derefter kan rotorblade med pitchkontrol være fladere og mere lige, men generelt har disse store blade et lignende twist i deres geometri, men meget mindre for at optimere den tangentielle belastning på rotorbladet.
Hvert rotorblad har en roterende twistmekanisme, enten passiv eller dynamisk, indbygget i roden af bladet, der producerer en ensartet inkrementel pitchkontrol i hele dens længde (konstant twist). Den nødvendige pitchmængde er kun nogle få grader, da små ændringer i pitchvinklen kan have en dramatisk effekt på den udledte effekt, da vi fra den foregående tutorial ved, at den energi, der er indeholdt i vinden, er proportional med kuben af vindhastigheden.
En af de store fordele ved pitchstyring af rotorblade er forøgelsen af vindhastighedsvinduet. En positiv pitchvinkel giver et stort startmoment, når rotoren begynder at dreje, hvilket mindsker dens cut-in vindhastighed. På samme måde kan man ved høje vindhastigheder, når rotorens maksimale hastighedsgrænse er nået, styre pitchet for at forhindre, at rotorens omdrejningstal overstiger grænsen, ved at reducere dens effektivitet og angrebsvinkel.
Effektregulering af en vindmølle kan opnås ved at anvende pitchstyring på rotorbladene for enten at reducere eller øge løftekraften på bladene ved at styre angrebsvinklen. Mindre rotorblade opnår dette ved at inkorporere en lille drejning i deres konstruktion. Større kommercielle vindmøller anvender pitchkontrol enten passivt ved hjælp af centrifugalfjedre og håndtag (svarende til helikopterrotorer) eller aktivt ved hjælp af små elektromotorer, der er indbygget i bladets nav for at dreje det de nødvendige få grader. De væsentligste ulemper ved pitchstyring er pålidelighed og omkostninger.
– Bladkonstruktion – den kinetiske energi, der udvindes fra vinden, påvirkes af rotorbladenes geometri, og det er vigtigt at bestemme den aerodynamisk optimale form og udformning af bladene. Men ud over den aerodynamiske udformning af rotorbladet er den strukturelle udformning lige så vigtig. Den strukturelle konstruktion består af valg af bladmateriale og styrke, da bladene bøjes og bøjes af vindens energi, mens de roterer.
Det er klart, at det ideelle konstruktionsmateriale til et rotorblad vil kombinere de nødvendige strukturelle egenskaber såsom høj styrke i forhold til vægt, høj udmattelseslevetid, stivhed, naturlig vibrationsfrekvens og modstandsdygtighed over for udmattelse med lave omkostninger og evnen til let at blive formet til den ønskede flyvepladeform.
Rotorbladene i mindre vindmøller, der anvendes i private husholdninger i størrelsen fra 100 watt og opefter, er generelt fremstillet af massivt udskåret træ, trælaminat eller træfiner-kompositmaterialer samt aluminium eller stål. Rotorblade af træ er stærke, lette, billige, fleksible og populære i de fleste gør-det-selv-vindmølledesigns, da de let kan fremstilles. Trælaminaternes lave styrke sammenlignet med andre træmaterialer gør dem imidlertid uegnede til vinger med slanke konstruktioner, der arbejder ved høje spidshastigheder.
Aluminiumsvinger er også lette, stærke og nemme at arbejde med, men de er dyrere, let bøjelige og lider af metaltræthed. Stålblade er ligeledes det billigste materiale og kan formes og formes til buede paneler, der følger den ønskede flyprofil. Det er imidlertid meget sværere at indføre en vridning i stålpaneler, og sammen med dårlige udmattelsesegenskaber, hvilket betyder, at det ruster, betyder det, at stål sjældent anvendes.
De rotorblade, der anvendes til meget store vandrette vindmøller med horisontal akse, er fremstillet af forstærkede plastkompositter, hvor de mest almindelige kompositter består af glasfiber/polyesterharpiks, glasfiber/epoxy, glasfiber/polyester og kulfiberkompositter. Glasfiber- og kulfiberkompositter har et væsentligt højere forhold mellem trykstyrke og vægt sammenlignet med de andre materialer. Glasfiber er desuden let, stærkt og billigt, har gode træthedsegenskaber og kan anvendes i en række forskellige fremstillingsprocesser.
Størrelsen, typen og konstruktionen af den vindmølle, du eventuelt har brug for, afhænger af din særlige anvendelse og dit effektbehov. Små vindmølledesigns varierer i størrelse fra 20 watt til 50 kilowatt (kW) med mindre eller “mikro” (20 til 500 watt) møller anvendes i boliger til en række forskellige anvendelser såsom elproduktion til opladning af batterier og strømforsyning af lys.
Vindenergi er blandt verdens hurtigst voksende kilder til vedvarende energi, da det er en ren, bredt distribueret energiressource, der er rigelig, har nul brændstofomkostninger, emissionsfri elproduktionsteknologi. De fleste moderne vindmøllegeneratorer, der er tilgængelige i dag, er designet til at blive installeret og brugt i installationer af boligtypen.
Som følge heraf er de fremstillet mindre og mere lette, hvilket gør det muligt hurtigt og nemt at montere dem direkte på et tag eller på en kort pæl eller et tårn. Ved at installere en nyere vindmøllegenerator som en del af dit vindkraftsystem i hjemmet kan du reducere de fleste af de højere omkostninger til vedligeholdelse og installation af et højere og dyrere mølletårn, som du tidligere ville have gjort.
I den næste vejledning om vindenergi vil vi se på drift og design af vindmøllegeneratorer, der anvendes til at generere elektricitet som en del af et vindmøllegenereringssystem i hjemmet.