Tuulivoimaloiden suunnittelu

Vaihtoehtoisen energian opetusohjelmat

Pystysuora-akselinen tuulivoimalatyyppi (Vertical Axis Turbine eli VAWT) on helpompi suunniteltavaksi ja kunnossapidettäväksi, mutta se tarjoaa pienemmän tehon kuin vaaka-akselinen versio, sillä sen yksinkertaisen roottorin lavan rakenteen aiheuttama vastusvastus on suuri. Useimmat sähköä tuottavat tuuliturbiinit ovat nykyään joko kaupallisesti tai kotimaassa vaaka-akselisia koneita, joten tarkastelemme tässä tuuliturbiinien opetusohjelmassa juuri näitä tuuliturbiinityyppejä.

– Roottori – Tämä on nykyaikaisen tuuliturbiinisuunnittelun tärkein osa, joka kerää tuulen energian ja muuttaa sen mekaaniseksi voimaksi pyörimisen muodossa. Roottori koostuu kahdesta tai useammasta laminoidusta puusta, lasikuidusta tai metallista valmistetusta ”roottorin siivestä” ja suojaavasta navasta, joka pyörii (siksi sen nimi) keskiakselin ympäri.

Tuuliturbiinin lavat toimivat lentokoneen siiven tavoin tuottamalla nostetta kaarevan muotonsa ansiosta. Roottorin lavat ottavat osan liike-energiasta liikkuvista ilmamassoista nostovoimaperiaatteen mukaisesti nopeudella, joka määräytyy tuulen nopeuden ja lapojen muodon mukaan. Nettotuloksena on nostovoima, joka on kohtisuorassa ilman virtaussuuntaan nähden. Temppuna on sitten suunnitella roottorin lapa siten, että se tuottaa oikean määrän roottorin lapojen nostovoimaa ja työntövoimaa, joka tuottaa ilman optimaalisen hidastuvuuden, mutta ei enempää.

Valitettavasti turbiinien roottorin lavat eivät kaappaa 100-prosenttisesti kaikkea tuulen voimaa, sillä jos näin tehtäisiin, turbiinien lapojen takana oleva ilma olisi täysin liikkumatonta eikä näin ollen päästäisi enempää tuulta kulkemaan lapojen läpi. Teoreettinen enimmäishyötysuhde, jolla turbiinin roottorin lavat voivat ottaa tuulienergian talteen, on 30-45 prosenttia, mikä riippuu seuraavista roottorin lapojen muuttujista: Lavan muotoilu, lapojen lukumäärä, lapojen pituus, lapojen kaltevuus/kulma, lapojen muoto sekä lapojen materiaalit ja paino muutamia mainitakseni.

– Lavan muotoilu – Roottorin lapojen rakenteet toimivat joko nosto- tai vetovoimamenetelmän periaatteella, jolla virtaavista ilmamassoista otetaan energiaa talteen. Hissilapojen suunnittelussa käytetään samaa periaatetta, jonka avulla lentokoneet, leijat ja linnut voivat lentää tuottaen nostovoiman, joka on kohtisuorassa liikesuuntaan nähden. Roottorin lapa on pohjimmiltaan lentokoneen siiven muotoinen siipi. Kun lapa leikkaa ilmaa, lavan ylä- ja alapintojen välille syntyy tuulen nopeus- ja paine-ero.

Paine alapinnalla on suurempi ja vaikuttaa siten ”nostavasti” lapaan ylöspäin, joten tämä voima halutaan tehdä mahdollisimman suureksi. Kun lavat on kiinnitetty keskeiseen pyörivään akseliin, kuten tuuliturbiinin roottoriin, tämä nostovoima muutetaan pyörimisliikkeeksi.

Tämän nostovoiman vastapainona on vetovoima, joka on samansuuntainen liikkeen suunnan kanssa ja aiheuttaa turbulenssia lavan takareunan ympärillä, kun se leikkaa ilmaa. Tällä turbulenssilla on lapaan jarruttava vaikutus, joten haluamme tehdä tästä vastusvoimasta mahdollisimman pienen. Nosto- ja vetovoiman yhdistelmä saa roottorin pyörimään potkurin tavoin.

Vetovoimamalleja käytetään enemmän pystysuuntaisissa tuuliturbiinimalleissa, joissa on suuret kupin tai kaarevan muotoiset lavat. Tuuli kirjaimellisesti työntää lavat pois tieltä, jotka on kiinnitetty keskiakseliin. Vetämällä suunniteltujen roottorin lapojen etuina ovat hitaammat pyörimisnopeudet ja suuri vääntömomentti, mikä tekee niistä käyttökelpoisia veden pumppauksessa ja maatalouskoneiden voimanlähteenä. Nostokäyttöisten tuuliturbiinien pyörimisnopeus on paljon korkeampi kuin vetotyyppisten, ja siksi ne soveltuvat hyvin sähköntuotantoon.

– Lapojen lukumäärä – Tuulivoimalan roottorin lapojen lukumäärä määräytyy yleensä aerodynaamisen tehokkuuden ja kustannusten mukaan. Ihanteellisessa tuuliturbiinissa olisi monta ohutta roottorin lavaa, mutta useimmissa vaaka-akselisissa tuuliturbiinigeneraattoreissa on vain yksi, kaksi tai kolme roottorin lavaa. Jos roottorin lapojen lukumäärää lisätään yli kolmen, roottorin hyötysuhde paranee vain vähän, mutta sen kustannukset nousevat, joten yli kolmea lapaa ei yleensä tarvita, mutta kotikäyttöön on saatavilla pieniä, nopeasti pyöriviä monilapaisia turbiinigeneraattoreita. Yleensä mitä vähemmän lapoja on, sitä vähemmän materiaalia tarvitaan valmistuksessa, mikä vähentää niiden kokonaiskustannuksia ja monimutkaisuutta.

Yksilapaisissa roottoreissa on vastapaino roottorin vastakkaisella puolella, mutta ne kärsivät suuresta materiaalin rasituksesta ja värähtelystä, koska yksittäisen lavan pyörimisliike ei ole tasaista, vaan sen on liikuttava nopeammin, jotta se pystyisi talteenottamaan saman tuulienergian määrän. Myös yksi- tai jopa kaksilapaisissa roottoreissa suurin osa käytettävissä olevasta ilmaliikenteestä ja siten tuulivoimasta kulkee turbiinin pyyhkäisemättömän poikkileikkauspinta-alan läpi ilman vuorovaikutusta roottorin kanssa, mikä heikentää niiden hyötysuhdetta.

Monilapaisilla roottoreilla on toisaalta tasaisempi pyöriminen ja alhaisempi melutaso. Pienemmät pyörimisnopeudet ja vääntömomentit ovat mahdollisia monisiipisissä rakenteissa, mikä vähentää voimansiirron rasituksia, mikä johtaa pienempiin vaihteisto- ja generaattorikustannuksiin. Tuulivoimalamalleihin, joissa on monta lapaa tai erittäin leveät lavat, kohdistuu kuitenkin erittäin suuria voimia erittäin voimakkaissa tuulissa, minkä vuoksi useimmissa tuulivoimalamalleissa käytetään kolmea roottorin lavaa.

– Pariton vai parillinen määrä roottorin lapoja? – Tuulivoimalamalli, jossa on ”pariton” määrä roottorin siipiä, 2, 4 tai 6 jne., voi kärsiä vakavuusongelmista pyöriessään. Tämä johtuu siitä, että jokaisella roottorin siivellä on täsmälleen vastakkainen lapa, joka sijaitsee 180o vastakkaiseen suuntaan. Kun roottori pyörii, juuri sillä hetkellä, kun ylin lapa osoittaa pystysuoraan ylöspäin (kello 12-asento), alimmainen lapa osoittaa suoraan alaspäin turbiinin tukitornin eteen. Seurauksena on, että ylin lapa taipuu taaksepäin, koska se saa tuulesta suurimman voiman, jota kutsutaan ”työntökuormitukseksi”, kun taas alempi lapa kulkee tuulettomalle alueelle suoraan tukitornin edessä.

Tämä turbiinien roottorin lapojen epätasainen taipuminen (ylin taipuu tuuleen ja alimmainen suoraksi) jokaisessa pystysuuntaisessa kohdistuksessa tuottaa roottorin lapoihin ja roottorin akseliin ei-toivottuja voimia, kun nämä kaksi lavaa taipuvat edestakaisin pyöriessään. Pienelle jäykälle alumiini- tai terästurbiinille tämä ei välttämättä ole ongelma, toisin kuin pidemmät lasikuituvahvisteiset muovilavat.

Tuuliturbiinirakenne, jossa on ”ODD”-luku roottorilavoja (vähintään kolme lavaa), pyörii tasaisemmin, koska gyroskooppiset ja taipumisvoimat ovat tasaisemmin tasapainossa lapojen välillä, mikä lisää turbiinin vakautta. Yleisin parittomilla terillä varustettu tuuliturbiinimalli on kolmilapainen turbiini. Kolmilapaisen roottorin tehohyötysuhde on hieman suurempi kuin samankokoisen kaksilapaisen roottorin, ja lisälapojen ansiosta ne voivat pyöriä hitaammin, mikä vähentää kulumista ja melua.

Välttääksemme turbulenssia ja vuorovaikutusta vierekkäisten lapojen välillä, monilapaisen rakenteen jokaisen lapojen välisen etäisyyden ja pyörimisnopeuden tulisi olla riittävän suuri, jotta yksi lapa ei törmää häiriintyneeseen, heikompaan ilmavirtaukseen, joka aiheutuu siitä, että edellinen terä ohittaa saman pisteen juuri ennen sitä. Tämän rajoituksen vuoksi useimpien parittomien tuulivoimaloiden roottoreissa on korkeintaan kolme lapa, ja ne pyörivät yleensä hitaammalla nopeudella.

Kolmelapaiset turbiinien roottorit sulautuvat yleensä paremmin maisemaan, ovat esteettisesti miellyttävämpiä ja aerodynaamisesti tehokkaampia kuin kaksilapaiset mallit, mikä on osaltaan vaikuttanut siihen, että kolmilapaiset tuulivoimalat ovat hallitsevampia tuulivoiman tuotantomarkkinoilla. Eräät valmistajat valmistavat tosin kaksi- ja kuusilapaisia turbiineja (purjeveneitä varten). Muita parittomien (kolmilapaisten) roottoreiden etuja ovat tasaisempi toiminta, pienempi melu ja vähemmän lintujen iskuja, mikä kompensoi korkeammista materiaalikustannuksista aiheutuvia haittoja. Lapojen lukumäärä ei vaikuta merkittävästi melutasoon.

– Roottorin lapojen pituus – Kolme tekijää määrittää, kuinka paljon liike-energiaa tuulivoimalalla voidaan ottaa talteen tuulesta: ”Ilman tiheys”, ”tuulen nopeus” ja ”roottorin pinta-ala”. Ilman tiheys riippuu siitä, kuinka kaukana merenpinnan yläpuolella ollaan, kun taas tuulen nopeus riippuu säästä. Voimme kuitenkin kontrolloida roottorin lapojen pyyhkäisemää pyörimisalaa kasvattamalla niiden pituutta, sillä roottorin koko määrää, kuinka paljon liike-energiaa tuuliturbiini pystyy keräämään tuulesta.

Roottorin lavat pyörivät keskeisen laakerin ympärillä muodostaen täydellisen ympyrän, jonka pituus on 360o, kun roottori pyörii, ja kuten tiedämme koulusta, ympyrän pinta-ala saadaan kaavalla: π.r2. Joten roottorin pyyhkäisypinta-alan kasvaessa myös sen peittämä pinta-ala kasvaa säteen neliön myötä. Näin ollen turbiinin lapojen pituuden kaksinkertaistaminen kasvattaa sen pinta-alan nelinkertaiseksi, jolloin se voi vastaanottaa neljä kertaa enemmän tuulienergiaa. Tämä lisää kuitenkin huomattavasti tuuliturbiinisuunnittelun kokoa, painoa ja viime kädessä kustannuksia.

Eräs tärkeä lavan pituuteen liittyvä näkökohta on roottorin kärkinopeus, joka johtuu kulmanopeudesta. Mitä pidempi turbiinin lavan pituus on, sitä nopeammin kärki pyörii tietyllä tuulennopeudella. Vastaavasti roottorin lavan pituus on sitä suurempi, mitä suurempi tuulennopeus on, sitä nopeampi pyöriminen on tietyllä roottorin lavan pituudella. Miksei siis voida suunnitella tuuliturbiinia, jonka roottorin lavat ovat hyvin pitkät ja joka toimii tuulisessa ympäristössä ja tuottaa paljon ilmaista sähköä tuulesta. Vastaus on, että tulee piste, jossa roottorin lapojen pituus ja tuulen nopeus itse asiassa vähentävät turbiinin tehoa. Tämän vuoksi monet suuremmat tuuliturbiinimallit pyörivät paljon hitaammilla nopeuksilla.

Hyötysuhde riippuu siitä, kuinka nopeasti roottorin kärki pyörii tietyllä tuulennopeudella, jolloin syntyy vakioitu tuulennopeuden ja kärjen suhde, jota kutsutaan nimellä ”kärjen nopeussuhde” ( λ ), joka on dimensioton yksikkö, jota käytetään roottorin hyötysuhteen maksimoimiseksi. Toisin sanoen kärkinopeussuhde (TSR) on pyörivän lavan kärjen pyörimisnopeuden (rpm) ja tuulen nopeuden (mph) suhde, ja hyvä tuuliturbiinisuunnittelu määrittää roottorin tehon mille tahansa tuulen ja roottorin nopeuden yhdistelmälle. Mitä suurempi tämä suhde on, sitä nopeammin tuuliturbiinin roottori pyörii tietyllä tuulennopeudella. Akselin nopeus, johon roottori on kiinnitetty, ilmoitetaan kierroksina minuutissa (rpm), ja se riippuu turbiinin lapojen kärkinopeudesta ja halkaisijasta.

Turbiinin pyörimisnopeus määritellään seuraavasti: rpm = tuulen nopeus x kärkinopeussuhde x 60 / (halkaisija x π).

Jos turbiinin roottori pyörii liian hitaasti, se päästää liian suuren osan tuulesta kulkemaan sen läpi häiriöttä, eikä näin ollen saa talteen niin paljon energiaa kuin voisi. Toisaalta, jos roottorin lapa pyörii liian nopeasti, se näyttäytyy tuulelle yhtenä suurena litteänä pyörivänä ympyränmuotoisena kiekkona, mikä aiheuttaa suuria määriä vastusta ja kärkihäviöitä, jotka hidastavat roottoria. Siksi on tärkeää sovittaa turbiinin roottorin pyörimisnopeus tiettyyn tuulen nopeuteen, jotta saavutetaan optimaalinen hyötysuhde.

Turbiinien roottorit, joissa on vähemmän lapoja, saavuttavat maksimihyötysuhteensa suuremmilla kärkinopeussuhteilla, ja yleensä sähköntuotantoon tarkoitetuissa kolmilapaisissa tuuliturbiinimalleissa kärkinopeussuhde on 6-8, mutta ne käyvät tasaisemmin, koska niissä on kolme lapa. Toisaalta vesipumppusovelluksiin käytettävien turbiinien kärkinopeussuhde on alhaisempi, 1,5-2, koska ne on suunniteltu erityisesti suuren vääntömomentin tuottamiseen alhaisilla nopeuksilla.

– Roottorin lapojen kallistus/kulma – Kiinteän muotoilun tuuliturbiinien roottorin lavat eivät yleensä ole suorat tai litteät kuten lentokoneen siivet, vaan niissä on sen sijaan pieni kierre ja kapeneminen pitkin pituuttaan kärjestä kärkeen ja juureen asti, mikä mahdollistaa erilaiset pyörimisnopeudet pitkin lavaa. Tämä kierre mahdollistaa sen, että lapa voi absorboida tuulen energiaa, kun tuuli tulee sitä kohti eri tangentiaalisista kulmista eikä vain suoraan. Suora tai litteä roottorinlapa lakkaa antamasta nostetta ja voi jopa pysähtyä (sakkaus), jos tuuli osuu roottorinlapaan eri kulmista, joita kutsutaan ”kohtauskulmaksi”, erityisesti jos kohtauskulma on liian jyrkkä.

Sentähden, jotta roottorinlapa pysyisi optimaalisessa kohtauskulmassa ja nostetta ja hyötysuhdetta lisäävässä määrin, roottorinlavan lavat on yleensä kierretty lavan pituudelta. Lisäksi tämä tuuliturbiinirakenteen kierre estää roottorin lapoja pyörimästä liian nopeasti suurilla tuulennopeuksilla.

Sähköenergian tuotantoon käytettävien hyvin suurten tuuliturbiinirakenteiden osalta tämä lapojen kierre voi kuitenkin tehdä niiden rakentamisesta hyvin monimutkaista ja kallista, joten käytetään jotakin muuta aerodynaamisen ohjauksen muotoa, jotta lapojen kohtauskulma pysyisi täydellisesti linjassa tuulen suunnan kanssa.

Tuuliturbiinin tuottamaa aerodynaamista tehoa voidaan säätää säätämällä tuuliturbiinin nousukulmaa suhteessa tuulen kohtauskulmaan, kun kutakin lavaa pyöritetään sen pituusakselin ympäri. Tällöin nousukulman säädöllä varustetut roottorin lavat voivat olla litteämpiä ja suorempia, mutta yleensä näiden suurten lapojen geometriassa on samanlainen kierre, mutta paljon pienempi, jotta roottorin lapaan kohdistuva tangentiaalinen kuormitus saadaan optimoitua.

Jokaiseen roottorin lapaan on sisäänrakennettu joko passiivinen tai dynaaminen kiertymismekanismi, joka saa aikaan tasaisen inkrementaalisen nousukulman säädön pituudeltaan koko pituudeltaan (vakiokierre). Tarvittavan kallistuksen määrä on vain muutama aste, sillä pienillä muutoksilla kallistuskulmassa voi olla dramaattinen vaikutus tehontuottoon, sillä edellisestä opetusohjelmasta tiedämme, että tuulen sisältämä energia on verrannollinen tuulen nopeuden kuutioon.

Yksi roottorilapojen kallistussäädön suurimmista eduista on tuulennopeusikkunan suurentaminen. Positiivinen nousukulma tuottaa suuren käynnistysmomentin, kun roottori alkaa pyöriä pienentäen tuulen nopeuden katkaisua. Samoin suurilla tuulennopeuksilla, kun roottorin enimmäisnopeusraja saavutetaan, nousukulmaa voidaan säätää siten, että roottorin kierrosnopeus ei ylitä rajaa pienentämällä roottorin hyötysuhdetta ja kohtauskulmaa.

Tuuliturbiinin tehonsäätö voidaan saavuttaa käyttämällä roottorin lapojen nousukulman säätöä, jolla voidaan joko pienentää tai suurentaa lapoihin kohdistuvaa nostovoimaa ohjaamalla kohtauskulmaa. Pienemmät roottorin lavat saavat tämän aikaan sisällyttämällä suunnitteluunsa pienen kierteen. Suuremmissa kaupallisissa tuuliturbiineissa käytetään nousukulman säätöä joko passiivisesti keskipakojousien ja vipujen avulla (kuten helikopterin roottoreissa) tai aktiivisesti käyttämällä pieniä sähkömoottoreita, jotka on asennettu lapojen navan sisään ja jotka pyörittävät niitä muutaman asteen verran. Kallistussäädön suurimmat haitat ovat luotettavuus ja kustannukset.

– Lavan rakenne – Tuulesta irrotettuun liike-energiaan vaikuttaa roottorin lapojen geometria, ja aerodynaamisesti optimaalisen lavan muodon ja rakenteen määrittäminen on tärkeää. Roottorin lavan aerodynaamisen suunnittelun lisäksi myös rakenteellinen suunnittelu on yhtä tärkeää. Rakennesuunnittelu koostuu lavan materiaalin valinnasta ja lujuudesta, koska lavat taipuvat ja taipuvat tuulen energian vaikutuksesta pyöriessään.

Ihanteellisessa roottorin lavan rakennemateriaalissa yhdistyvät luonnollisesti tarvittavat rakenteelliset ominaisuudet, kuten korkea lujuus-painosuhde, korkea väsymiskestävyys, jäykkyys, luonnollinen värähtelytaajuus ja väsymiskestävyys, sekä alhaiset kustannukset ja kyky muotoilla se helposti haluttuun siipimuotoon.

Kotitalouskäyttöön tarkoitettujen pienempien turbiinien, joiden koko vaihtelee 100 watista ylöspäin, roottorin lavat valmistetaan yleensä massiivipuusta, puulaminaateista tai puuviilukomposiiteista sekä alumiinista tai teräksestä. Puiset roottorin lavat ovat vahvoja, kevyitä, halpoja, joustavia ja suosittuja useimmissa tee-se-itse -tuuliturbiinimalleissa, koska ne voidaan valmistaa helposti. Puulaminaattien alhainen lujuus muihin puumateriaaleihin verrattuna tekee niistä kuitenkin sopimattomia suurilla kärkinopeuksilla toimiviin siroihin lapoihin.

Alumiinista valmistetut lavat ovat myös kevyitä, vahvoja ja helposti työstettäviä, mutta ne ovat kalliimpia, taipuvat helposti ja kärsivät metallin väsymisestä. Teräslavat ovat halvinta materiaalia, ja ne voidaan muovata ja muotoilla kaareviksi levyiksi vaaditun siipiprofiilin mukaisesti. Teräspaneeleihin on kuitenkin paljon vaikeampi tehdä vääntöä, ja yhdessä sen huonojen väsymisominaisuuksien eli ruostumisen kanssa se tarkoittaa, että terästä käytetään harvoin.

Erittäin suurten vaaka-akselisten tuuliturbiinien suunnittelussa käytettävät roottorin lavat valmistetaan lujitemuovikomposiiteista, ja yleisimmät komposiitit koostuvat lasikuitu/polyesterihartsista, lasikuitu/epoksi-, lasikuitu/polyesteri- ja hiilikuitukomposiiteista. Lasikuitu- ja hiilikuitukomposiittien puristuslujuuden ja painon suhde on huomattavasti suurempi kuin muiden materiaalien. Lisäksi lasikuitu on kevyttä, vahvaa, edullista, sillä on hyvät väsymisominaisuudet ja sitä voidaan käyttää erilaisissa valmistusprosesseissa.

Tarvitsemasi tuulivoimalan koko, tyyppi ja rakenne riippuvat sovelluksesta ja tehovaatimuksista. Pienten tuuliturbiinien koot vaihtelevat 20 watista 50 kilowattiin (kW), ja pienempiä tai ”mikro”-turbiineja (20-500 wattia) käytetään asuinalueilla erilaisiin sovelluksiin, kuten sähköenergian tuottamiseen akkujen lataamiseen ja valojen virransyöttöön.

Tuulivoima kuuluu maailman nopeimmin kasvaviin uusiutuvien energialähteisiin, koska se on puhdas, laajalti hajautettu energialähde, jota on runsaasti, sillä on nollapolttoainekustannuksia eikä sen sähköntuotanto ole ilmaista. Useimmat nykyään saatavilla olevat nykyaikaiset tuuliturbiinigeneraattorit on suunniteltu asennettaviksi ja käytettäviksi asuintalotyyppisissä asennuksissa.

Sen vuoksi ne valmistetaan pienempinä ja kevyempinä, minkä ansiosta ne voidaan asentaa nopeasti ja helposti suoraan katolle tai lyhyeen tolppaan tai torniin. Asentamalla uudemman turbiinigeneraattorin osana kodin tuulivoimajärjestelmääsi voit vähentää suurinta osaa korkeamman ja kalliimman turbiinitornin ylläpidosta ja asentamisesta aiheutuvista korkeammista kustannuksista, kuten aiemmin.

Seuraavassa Tuulienergiaa käsittelevässä opetusohjelmassa tarkastelemme tuulivoimageneraattoreiden toimintaa ja suunnittelua, joita käytetään sähköntuottoon osana kodin tuuliturbiinien sähköntuotantojärjestelmää.