Alternative Energy Tutorials
Wind Turbine Design for Wind Power
W sercu każdego systemu wytwarzania energii odnawialnej z wiatru znajduje się Turbina Wiatrowa. Konstrukcje turbin wiatrowych zazwyczaj składają się z wirnika, generatora prądu stałego (DC) lub alternatora prądu zmiennego (AC), który jest zamontowany na wieży wysoko nad ziemią.
Jak więc turbiny wiatrowe są zaprojektowane do produkcji energii elektrycznej? W najprostszym ujęciu, turbina wiatrowa jest przeciwieństwem wentylatora domowego lub biurkowego. Wentylator wykorzystuje energię elektryczną z sieci zasilającej do obracania i cyrkulacji powietrza, wytwarzając wiatr. Z drugiej strony turbiny wiatrowe wykorzystują siłę wiatru do wytwarzania energii elektrycznej. The winds movement spins or rotates the turbines blades, which captures the kinetic energy of the wind and convert this energy into a rotary motion via a shaft to drive a generator and make electricity as shown.
Typical Wind Turbine Generator Design
The image above shows the basic components that go to make up a typical wind turbine design. Turbina wiatrowa pozyskuje energię kinetyczną z wiatru poprzez jego spowolnienie i przeniesienie tej energii na obracający się wał, dlatego ważne jest, aby mieć dobry projekt. Dostępna moc wiatru, którą można pozyskać, zależy zarówno od prędkości wiatru, jak i obszaru, który jest omiatany przez obracające się łopaty turbiny. Zatem im większa prędkość wiatru lub im większe łopaty wirnika, tym więcej energii można pozyskać z wiatru. Można więc powiedzieć, że produkcja energii elektrycznej w turbinach wiatrowych zależy od interakcji między łopatkami wirnika a wiatrem i to właśnie ta interakcja jest ważna dla projektu turbiny wiatrowej.
Aby poprawić tę interakcję, a tym samym zwiększyć wydajność, dostępne są dwa rodzaje konstrukcji turbin wiatrowych. Wspólna oś pozioma i pionowa konstrukcja osi. Projekt turbiny wiatrowej o osi poziomej łapie więcej wiatru, więc moc wyjściowa jest wyższa niż w przypadku projektu turbiny wiatrowej o osi pionowej. Wadą projektu z osią poziomą jest to, że wieża wymagana do wsparcia turbiny wiatrowej jest znacznie wyższa, a projekt łopat wirnika musi być znacznie lepszy.
Turbina o osi pionowej lub VAWT, jest łatwiejsza do zaprojektowania i utrzymania, ale oferuje niższą wydajność niż typy o osi poziomej z powodu wysokiego oporu prostej konstrukcji łopaty wirnika. Większość turbin wiatrowych generujących energię elektryczną, zarówno komercyjnych jak i domowych, to maszyny o osi poziomej, więc to właśnie tym typom konstrukcji turbin wiatrowych przyjrzymy się w tym poradniku dotyczącym turbin wiatrowych.
– Wirnik – Jest to główna część nowoczesnej konstrukcji turbiny wiatrowej, która zbiera energię wiatru i przekształca ją w moc mechaniczną w postaci ruchu obrotowego. Wirnik składa się z dwóch lub więcej „łopat” z laminowanego drewna, włókna szklanego lub metalu oraz piasty ochronnej, która obraca się (stąd jego nazwa) wokół osi centralnej.
Tak jak skrzydło samolotu, łopaty turbiny wiatrowej działają poprzez generowanie siły nośnej dzięki swojemu zakrzywionemu kształtowi. Łopaty wirnika pobierają część energii kinetycznej z poruszających się mas powietrza, zgodnie z zasadą siły nośnej, w tempie zależnym od prędkości wiatru i kształtu łopat. Wynikiem netto jest siła nośna prostopadła do kierunku przepływu powietrza. Następnie sztuką jest zaprojektowanie łopaty wirnika, aby stworzyć odpowiednią ilość siły nośnej i ciągu wytwarzającej optymalne opóźnienie powietrza i nie więcej.
Niestety łopaty wirnika turbiny nie przechwytują 100% całej mocy wiatru, ponieważ oznaczałoby to, że powietrze za łopatami turbiny byłoby całkowicie nieruchome, a zatem nie pozwalałoby na przepływ wiatru przez łopaty. Teoretyczna maksymalna wydajność, jaką łopaty wirnika turbiny mogą uzyskać z energii wiatru wynosi od 30 do 45% i jest zależna od następujących zmiennych występujących w łopatach wirnika: Blade Design, Blade Number, Blade Length, Blade Pitch/Angle, Blade Shape, and Blade Materials and Weight to name a few.
– Blade Design – Konstrukcje łopat wirnika działają na zasadzie metody podnoszenia lub metody przeciągania w celu wydobycia energii z przepływających mas powietrza. Konstrukcja łopaty nośnej wykorzystuje tę samą zasadę, która umożliwia latanie samolotom, latawcom i ptakom, wytwarzając siłę nośną, która jest prostopadła do kierunku ruchu. Łopatka wirnika jest w istocie aerofilem, czyli skrzydłem o kształcie podobnym do skrzydła samolotu. Gdy łopatka przecina powietrze, powstaje różnica prędkości wiatru i ciśnienia między górną i dolną powierzchnią łopatki.
Ciśnienie na dolnej powierzchni jest większe i dlatego działa, aby „podnieść” łopatkę do góry, więc chcemy, aby ta siła była jak największa. Gdy łopaty są przymocowane do centralnej osi obrotowej, jak wirnik turbiny wiatrowej, to unoszenie przekłada się na ruch obrotowy.
Oprócz tej siły unoszącej występuje siła oporu, która jest równoległa do kierunku ruchu i powoduje turbulencje wokół krawędzi spływu łopaty, gdy przecina ona powietrze. Ta turbulencja ma efekt hamujący dla łopatki, więc chcemy, aby ta siła oporu była jak najmniejsza. Kombinacja siły nośnej i oporu powoduje, że wirnik obraca się jak śmigło.
Projekty oporu są wykorzystywane bardziej w projektach pionowych turbin wiatrowych, które mają duże łopaty o kształcie kielicha lub łuku. Wiatr dosłownie wypycha łopaty z drogi, które są przymocowane do centralnego wału. Zaletą łopat wirnika o konstrukcji wleczonej są mniejsze prędkości obrotowe i wysoki moment obrotowy, co czyni je przydatnymi do pompowania wody i zasilania maszyn rolniczych. Turbiny wiatrowe napędzane siłą nośną mają znacznie wyższą prędkość obrotową niż typy oporowe i dlatego dobrze nadają się do wytwarzania energii elektrycznej.
– Liczba łopat – Liczba łopat wirnika turbiny wiatrowej jest zwykle określana przez wydajność aerodynamiczną i koszty. Idealna turbina wiatrowa miałaby wiele cienkich łopat wirnika, ale większość generatorów turbin wiatrowych o poziomej osi ma tylko jedną, dwie lub trzy łopaty wirnika. Zwiększenie liczby łopat wirnika powyżej trzech daje tylko niewielki wzrost wydajności wirnika, ale zwiększa jego koszt, więc więcej niż trzy łopaty nie są zwykle wymagane, ale małe wysokoobrotowe wielopłatowe generatory turbinowe są dostępne do użytku domowego. Generalnie, im mniejsza liczba łopat, tym mniej materiałów jest potrzebnych podczas produkcji, co zmniejsza ich całkowity koszt i złożoność.
Wirniki z pojedynczymi łopatami posiadają przeciwwagę po przeciwnej stronie wirnika, ale cierpią z powodu wysokich naprężeń materiałowych i wibracji spowodowanych ich nierównomiernym ruchem obrotowym pojedynczej łopaty, która musi poruszać się szybciej, aby uchwycić tę samą ilość energii wiatru. Ponadto w przypadku wirników jedno- lub nawet dwułopatowych większość dostępnego ruchu powietrza, a tym samym energii wiatru, przechodzi przez niepodzielony obszar przekroju poprzecznego turbiny, nie wchodząc w interakcję z wirnikiem, co obniża ich sprawność. Wolniejsze prędkości obrotowe i moment obrotowy są możliwe w przypadku konstrukcji wielopłatowych, co zmniejsza naprężenia w układzie napędowym, skutkując niższymi kosztami przekładni i generatora. Jednak konstrukcje turbin wiatrowych z wieloma łopatami lub bardzo szerokimi łopatami będą podlegać bardzo dużym siłom przy bardzo silnych wiatrach, dlatego też w większości konstrukcji turbin wiatrowych stosuje się trzy łopaty wirnika.
– Nieparzysta czy parzysta liczba łopat wirnika? – Konstrukcja turbiny wiatrowej, która posiada parzystą liczbę łopat wirnika, 2, 4 lub 6, itp. może mieć problemy ze stabilnością podczas obrotu. Dzieje się tak dlatego, że każda łopata wirnika posiada dokładną i przeciwległą łopatkę, która jest umieszczona o 180o w przeciwnym kierunku. Gdy wirnik się obraca, w momencie, gdy najwyższa łopatka jest skierowana pionowo do góry (pozycja na godzinie 12), niższa łopatka jest skierowana prosto w dół przed wieżą podtrzymującą turbinę. W rezultacie górna łopatka wygina się do tyłu, ponieważ otrzymuje maksymalną siłę od wiatru, zwaną „obciążeniem oporowym”, podczas gdy dolna łopatka przechodzi w obszar wolny od wiatru bezpośrednio przed wieżą podporową.
To nierównomierne wygięcie łopatek wirnika turbiny (górna wygięta na wietrze, a dolna prosta) przy każdym ustawieniu pionowym wytwarza niepożądane siły na łopatkach wirnika i wale wirnika, ponieważ dwie łopatki zginają się tam i z powrotem podczas obrotu. W przypadku małej turbiny o sztywnych aluminiowych lub stalowych łopatkach może to nie stanowić problemu, w przeciwieństwie do dłuższych łopat z tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem szklanym.
Projekt turbiny wiatrowej, który ma „ODD” liczbę łopat wirnika (co najmniej trzy łopaty) obraca się płynniej, ponieważ siły żyroskopowe i zginające są bardziej równomiernie zrównoważone na łopatach, zwiększając stabilność turbiny. Najbardziej rozpowszechnioną konstrukcją turbiny wiatrowej z nieparzystą liczbą łopat jest turbina z trzema łopatami. Sprawność energetyczna wirnika z trzema łopatkami jest nieco wyższa niż podobnej wielkości wirnika z dwoma łopatkami, a dzięki dodatkowym łopatkom może on obracać się wolniej, zmniejszając zużycie i hałas. Aby uniknąć turbulencji i interakcji między sąsiadującymi łopatkami, odstęp między każdą łopatką w konstrukcji wielołopatkowej i jej prędkość obrotowa powinny być wystarczająco duże, aby jedna łopatka nie napotkała zakłóconego, słabszego przepływu powietrza spowodowanego przez poprzednią łopatkę przechodzącą przez ten sam punkt tuż przed nią. Ze względu na to ograniczenie większość turbin wiatrowych typu nieparzystego posiada maksymalnie trzy łopaty na swoich wirnikach i generalnie obraca się z mniejszą prędkością.
Ogólnie, wirniki turbin z trzema łopatami lepiej integrują się z krajobrazem, są bardziej atrakcyjne estetycznie i są bardziej wydajne aerodynamicznie niż konstrukcje z dwoma łopatami, co przyczynia się do tego, że turbiny wiatrowe z trzema łopatami są bardziej dominujące na rynku energetyki wiatrowej. Chociaż niektórzy producenci produkują turbiny dwu- i sześciołopatowe (dla żaglowców). Inne zalety nieparzystych (trzyłopatowych) wirników to bardziej płynna praca, mniejszy hałas i mniej uderzeń ptaków, co rekompensuje wadę w postaci wyższych kosztów materiałowych. Liczba łopat nie wpływa znacząco na poziom hałasu.
– Długość łopat wirnika – Trzy czynniki decydują o tym, ile energii kinetycznej może być pozyskane z wiatru przez turbinę wiatrową: „gęstość powietrza”, „prędkość wiatru” oraz „powierzchnia wirnika”. Gęstość powietrza zależy od tego, jak daleko nad poziomem morza się znajdujemy, natomiast prędkość wiatru jest kontrolowana przez pogodę. Możemy jednak kontrolować powierzchnię obrotową łopat wirnika poprzez zwiększanie ich długości, ponieważ rozmiar wirnika określa ilość energii kinetycznej, którą turbina wiatrowa jest w stanie przechwycić z wiatru.
Łopaty wirnika obracają się wokół centralnego łożyska tworząc idealny okrąg o promieniu 360o, a jak wiemy ze szkoły, powierzchnia okręgu jest określana jako: π.r2. Tak więc wraz ze wzrostem pola powierzchni wirnika, powierzchnia, którą pokrywa, również wzrasta wraz z kwadratem promienia. Tak więc podwojenie długości łopat turbiny powoduje czterokrotne zwiększenie jej powierzchni, co pozwala na odbiór czterokrotnie większej ilości energii wiatru. Jednakże, znacznie zwiększa to rozmiar, wagę i ostatecznie koszt konstrukcji turbiny wiatrowej.
Jednym z ważnych aspektów długości łopat jest prędkość obrotowa wirnika wynikająca z prędkości kątowej. Im większa długość łopatki turbiny, tym szybszy obrót końcówki dla danej prędkości wiatru. Podobnie dla danej długości łopaty wirnika im większa prędkość wiatru tym szybsze obroty. Dlaczego więc nie możemy mieć turbiny wiatrowej z bardzo długimi łopatami wirnika pracującej w wietrznym otoczeniu i produkującej mnóstwo darmowej energii elektrycznej z wiatru? Odpowiedź jest taka, że istnieje punkt, w którym długość łopat wirnika i prędkość wiatru zmniejsza wydajność turbiny. Z tego powodu wiele większych konstrukcji turbin wiatrowych obraca się z dużo mniejszymi prędkościami. Wydajność jest funkcją tego, jak szybko obraca się końcówka wirnika przy danej prędkości wiatru, tworząc stały stosunek prędkości wiatru do końcówki, zwany „współczynnikiem prędkości końcówki” ( λ ), który jest bezwymiarową jednostką używaną do maksymalizacji wydajności wirnika. Innymi słowy, „stosunek prędkości obrotowej końcówki łopaty” (TSR) jest stosunkiem prędkości obracającej się końcówki łopaty w obr/min do prędkości wiatru w milach na godzinę, a dobry projekt turbiny wiatrowej określi moc wirnika dla dowolnej kombinacji prędkości wiatru i wirnika. Im większy jest ten stosunek, tym szybsze są obroty wirnika turbiny wiatrowej przy danej prędkości wiatru. Prędkość obrotowa wirnika jest podawana w obrotach na minutę (rpm) i zależy od prędkości końcowej oraz średnicy łopat turbiny.
Prędkość obrotowa turbiny jest definiowana jako: rpm = prędkość wiatru x współczynnik prędkości końcowej x 60 / (średnica x π).
Jeżeli wirnik turbiny obraca się zbyt wolno, pozwala on na przejście zbyt dużej ilości wiatru bez zakłóceń, a tym samym nie pozyskuje tyle energii, ile mógłby. Z drugiej strony, jeśli łopata wirnika obraca się zbyt szybko, jawi się wiatrowi jako jeden duży płaski obracający się okrągły dysk, który wytwarza duże ilości oporu i strat w końcówce, spowalniając wirnik. Dlatego ważne jest, aby dopasować prędkość obrotową wirnika turbiny do konkretnej prędkości wiatru, tak aby uzyskać optymalną wydajność.
Wirniki turbin z mniejszą liczbą łopat osiągają maksymalną wydajność przy wyższych współczynnikach prędkości końcowej i ogólnie rzecz biorąc, projekty turbin wiatrowych z trzema łopatami do wytwarzania energii elektrycznej mają współczynnik prędkości końcowej między 6 a 8, ale będą działać bardziej płynnie, ponieważ mają trzy łopaty. Z drugiej strony, turbiny używane do pompowania wody mają niższy współczynnik prędkości końcowej, wynoszący od 1,5 do 2, ponieważ są one specjalnie zaprojektowane do generowania wysokiego momentu obrotowego przy niskich prędkościach
– Pochylenie/kąt łopaty wirnika – łopaty wirnika turbiny wiatrowej o stałej konstrukcji nie są zazwyczaj proste lub płaskie, jak skrzydła aeroplanów, ale zamiast tego mają niewielki skręt i zwężenie wzdłuż ich długości od czubka do nasady, aby umożliwić różne prędkości obrotowe wzdłuż łopaty. Skręt ten pozwala łopatce pochłaniać energię wiatru, gdy wiatr wieje pod różnymi kątami stycznymi, a nie tylko prosto na nią. Prosta lub płaska łopata wirnika przestanie dawać siłę nośną, a nawet może się zatrzymać (przeciągnąć), jeśli łopata wirnika zostanie uderzona przez wiatr pod różnymi kątami, zwanymi „kątem natarcia”, zwłaszcza jeśli ten kąt natarcia jest zbyt stromy.
W związku z tym, aby utrzymać optymalny kąt natarcia łopaty wirnika, zwiększający siłę nośną i wydajność, łopaty turbin wiatrowych są zazwyczaj skręcone na całej długości. Ponadto, ten skręt w konstrukcji turbiny wiatrowej utrzymuje łopaty wirnika przed zbyt szybkim obracaniem się przy dużych prędkościach wiatru.
Jednakże, w przypadku bardzo dużych turbin wiatrowych używanych do wytwarzania energii elektrycznej, to skręcanie łopat może sprawić, że ich konstrukcja będzie bardzo skomplikowana i kosztowna, dlatego też stosuje się inną formę kontroli aerodynamicznej, aby utrzymać kąt natarcia łopat idealnie dopasowany do kierunku wiatru.
Moc aerodynamiczna wytwarzana przez turbinę wiatrową może być kontrolowana przez regulację kąta nachylenia turbiny wiatrowej w stosunku do kąta natarcia wiatru, gdy każda łopata jest obracana wokół swojej osi podłużnej. Wtedy łopaty wirnika z regulacją kąta nachylenia mogą być bardziej płaskie i proste, ale generalnie te duże łopaty mają podobny skręt w swojej geometrii, ale znacznie mniejszy, aby zoptymalizować styczne obciążenie łopaty wirnika.
Każda łopata wirnika ma mechanizm skrętu obrotowego, pasywny lub dynamiczny wbudowany w korzeń łopaty, wytwarzający jednolitą przyrostową regulację kąta nachylenia wzdłuż jej długości (stały skręt). Wymagany skok wynosi tylko kilka stopni, ponieważ małe zmiany kąta nachylenia mogą mieć ogromny wpływ na moc wyjściową, ponieważ wiemy z poprzedniego podręcznika, że energia zawarta w wietrze jest proporcjonalna do sześcianu prędkości wiatru.
Jedną z głównych zalet regulacji nachylenia łopat wirnika jest zwiększenie okna prędkości wiatru. Dodatni kąt nachylenia wytwarza duży moment rozruchowy, gdy wirnik zaczyna się obracać zmniejszając prędkość wiatru na wejściu. Podobnie, przy dużych prędkościach wiatru, gdy osiągnięty zostanie limit maksymalnej prędkości wirnika, nachylenie może być kontrolowane tak, aby utrzymać obroty wirnika na minutę przed przekroczeniem limitu poprzez zmniejszenie jego wydajności i kąta natarcia.
Regulacja mocy turbiny wiatrowej może być osiągnięta poprzez zastosowanie regulacji nachylenia łopat wirnika w celu zmniejszenia lub zwiększenia siły nośnej na łopatach poprzez kontrolę kąta natarcia. Mniejsze łopaty wirnika osiągają to poprzez włączenie małego skrętu do ich konstrukcji. Większe komercyjne turbiny wiatrowe wykorzystują sterowanie nachyleniem łopat albo pasywne, za pomocą sprężyn odśrodkowych i dźwigni (podobnie jak w wirnikach helikopterów), albo aktywne, przy użyciu małych silników elektrycznych wbudowanych w piastę łopaty, które obracają ją o wymagane kilka stopni. Głównymi wadami kontroli skoku są niezawodność i koszt.
– Konstrukcja łopat – na energię kinetyczną pozyskiwaną z wiatru ma wpływ geometria łopat wirnika, a określenie aerodynamicznie optymalnego kształtu i konstrukcji łopat jest ważne. Jednak oprócz projektu aerodynamicznego łopaty wirnika równie ważny jest projekt konstrukcyjny. Projekt konstrukcyjny obejmuje dobór materiału łopaty oraz jej wytrzymałość, ponieważ łopaty zginają się pod wpływem energii wiatru podczas obrotu.
Oczywiście, idealny materiał konstrukcyjny dla łopaty wirnika łączyłby w sobie niezbędne właściwości konstrukcyjne, takie jak wysoki stosunek wytrzymałości do ciężaru, wysoka trwałość zmęczeniowa, sztywność, naturalna częstotliwość drgań i odporność na zmęczenie wraz z niskim kosztem i możliwością łatwego formowania w pożądany kształt profilu lotniczego.
Łopaty wirnika mniejszych turbin używanych w zastosowaniach mieszkaniowych, które wahają się od 100 watów wzwyż, są zazwyczaj wykonane z litego drewna rzeźbionego, laminatów drewnianych lub kompozytów forniru drewnianego, a także z aluminium lub stali. Drewniane łopaty wirnika są mocne, lekkie, tanie, elastyczne i popularne w większości projektów turbin wiatrowych dla majsterkowiczów, ponieważ można je łatwo wykonać. Jednak niska wytrzymałość laminatów drewnianych w porównaniu z innymi materiałami drewnianymi sprawia, że nie nadają się one do łopat o smukłych konstrukcjach pracujących przy dużych prędkościach obrotowych. Łopaty aluminiowe są również lekkie, wytrzymałe i łatwe w obróbce, ale są droższe, łatwo je wygiąć i cierpią na zmęczenie materiału. Podobnie stalowe łopatki wykorzystują najtańszy materiał i mogą być formowane i kształtowane w zakrzywione panele zgodnie z wymaganym profilem aerodynamicznym. Jednak znacznie trudniej jest wprowadzić skręt do paneli stalowych, a w połączeniu ze słabymi właściwościami zmęczeniowymi, co oznacza, że rdzewieją, oznacza to, że stal jest rzadko używana.
Łopaty wirnika stosowane w bardzo dużych turbinach wiatrowych o osi poziomej są wykonane ze wzmocnionych kompozytów z tworzyw sztucznych, przy czym najbardziej powszechne są kompozyty składające się z włókna szklanego/żywicy poliestrowej, włókna szklanego/epoksydu, włókna szklanego/poliestru i kompozytów z włókna węglowego. Kompozyty z włóknem szklanym i włóknem węglowym mają znacznie wyższy stosunek wytrzymałości na ściskanie do masy w porównaniu z innymi materiałami. Ponadto, włókno szklane jest lekkie, mocne, niedrogie, ma dobrą charakterystykę zmęczeniową i może być stosowane w różnych procesach produkcyjnych.
Rozmiar, typ i konstrukcja turbiny wiatrowej, której możesz potrzebować, zależy od konkretnego zastosowania i wymagań dotyczących mocy. Małe turbiny wiatrowe mają wielkość od 20 watów do 50 kilowatów (kW) z mniejszymi lub „mikro” (20 do 500 watów) turbinami używanymi w lokalizacjach mieszkalnych do różnych zastosowań, takich jak wytwarzanie energii elektrycznej do ładowania akumulatorów i zasilania świateł.
Energia wiatrowa jest jednym z najszybciej rozwijających się źródeł energii odnawialnej na świecie, ponieważ jest to czysty, szeroko rozpowszechniony zasób energii, który jest obfity, ma zerowy koszt paliwa, bezemisyjną technologię wytwarzania energii. Większość nowoczesnych turbogeneratorów wiatrowych dostępnych dzisiaj jest zaprojektowana do instalacji i wykorzystania w instalacjach typu mieszkaniowego.
W rezultacie są one produkowane mniejsze i bardziej lekkie, co pozwala na ich szybki i łatwy montaż bezpośrednio na dachu lub na krótkim słupie lub wieży. Zainstalowanie nowszego generatora turbiny jako części domowego systemu energii wiatrowej pozwoli Ci zredukować większość wyższych kosztów utrzymania i instalacji wyższej i droższej wieży turbiny, jak to miało miejsce w przeszłości.