Instruktioner för alternativ energi
Vindturbinkonstruktion för vindkraft
Vindturbinen är kärnan i alla system för förnybar vindkraftsproduktion. Vindkraftverkskonstruktioner består i allmänhet av en rotor, en likströmsgenerator (DC) eller en växelströmsgenerator (AC) som monteras på ett torn högt ovanför marken.
Hur utformas vindkraftverk för att producera el? Enkelt uttryckt är ett vindkraftverk motsatsen till en hus- eller skrivbordsfläkt. Fläkten använder el från elnätet för att rotera och cirkulera luften, vilket skapar vind. Vindkraftverkskonstruktioner å andra sidan använder vindens kraft för att generera elektricitet. Vindens rörelse snurrar eller roterar turbinbladen, som fångar upp vindens kinetiska energi och omvandlar denna energi till en roterande rörelse via en axel för att driva en generator och producera elektricitet som visas.
Typisk konstruktion av en vindturbingenerator
Bilden ovan visar de grundläggande komponenterna som ingår i en typisk konstruktion av en vindturbin. Ett vindkraftverk utvinner den kinetiska energin från vinden genom att bromsa vinden och överföra denna energi till den snurrande axeln, så det är viktigt att ha en bra konstruktion. Den tillgängliga energin i vinden som kan skördas beror både på vindhastigheten och den yta som sveps av de roterande turbinbladen. Så ju högre vindhastighet eller ju större rotorbladen är, desto mer energi kan utvinnas ur vinden. Vi kan alltså säga att vindkraftverkens energiproduktion beror på samspelet mellan rotorbladen och vinden, och det är detta samspel som är viktigt för vindkraftverkens utformning.
För att förbättra detta samspel och därmed öka effektiviteten finns det två typer av vindkraftverkskonstruktioner. Den vanliga konstruktionen med horisontell axel och konstruktionen med vertikal axel. Vindkraftverk med horisontell axel fångar mer vind, vilket gör att effekten är högre än för vindkraftverk med vertikal axel. Nackdelen med den horisontella axelkonstruktionen är att det torn som krävs för att stödja vindkraftverket är mycket högre och utformningen av rotorbladen måste vara mycket bättre.
Det vertikala axelbaserade vindkraftverket eller VAWT är lättare att konstruera och underhålla, men har lägre prestanda än de horisontella axelbaserade typerna på grund av det höga luftmotståndet hos dess enkla rotorbladskonstruktion. De flesta vindkraftverk som genererar elektricitet idag, antingen kommersiellt eller inhemskt, är horisontella axelmaskiner, så det är dessa typer av vindkraftverkskonstruktion som vi kommer att titta på i denna vindkraftshandledning.
– Rotorn – Detta är huvuddelen av en modern vindkraftverkskonstruktion som samlar in vindens energi och omvandlar den till mekanisk kraft i form av rotation. Rotorn består av två eller flera ”rotorblad” av laminerat trä, glasfiber eller metall och ett skyddande nav som roterar (därav namnet) runt en central axel.
Som en flygplansvinge fungerar vindkraftverkets blad genom att generera lyft på grund av sin böjda form. Rotorbladen utvinner en del av den kinetiska energin från de rörliga luftmassorna enligt lyftprincipen i en takt som bestäms av vindhastigheten och bladens form. Nettoresultatet är en lyftkraft vinkelrätt mot luftens strömningsriktning. Tricket är då att utforma rotorbladet så att det skapar rätt mängd lyftkraft och dragkraft som ger optimal retardation av luften och inte mer.
Tyvärr fångar turbinernas rotorblad inte upp 100 % av vindkraften, eftersom det skulle innebära att luften bakom turbinbladen skulle vara helt stilla och därför inte tillåta mer vind att passera genom bladen. Den teoretiska maximala effektivitet som turbinens rotorblad kan utvinna från vindenergin uppgår till mellan 30 och 45 %, vilket beror på följande rotorbladvariabler: Bladens utformning, antal blad, bladlängd, bladens stigning/vinkel, bladens form samt bladens material och vikt för att nämna några.
– Bladens utformning – Rotorbladens utformning bygger antingen på principen om lyft- eller dragkraft för att utvinna energi ur de strömmande luftmassorna. Vid konstruktionen av lyftblad används samma princip som gör det möjligt för flygplan, drakar och fåglar att flyga, vilket ger upphov till en lyftkraft som är vinkelrät mot rörelseriktningen. Rotorbladet är i huvudsak en aerofoil eller en vinge med samma form som en flygplansvinge. När bladet skär genom luften skapas en skillnad i vindhastighet och tryck mellan bladets övre och undre ytor.
Trycket vid den undre ytan är större och verkar därmed för att ”lyfta” bladet uppåt, så vi vill göra denna kraft så stor som möjligt. När bladen är fästa vid en central rotationsaxel, som en vindturbinrotor, omvandlas denna lyftkraft till en rotationsrörelse.
Temot denna lyftkraft står en dragkraft som är parallell med rörelseriktningen och orsakar turbulens kring bladets bakkant när det skär genom luften. Denna turbulens har en bromsande effekt på bladet så vi vill göra denna dragkraft så liten som möjligt. Kombinationen av lyftkraft och dragkraft gör att rotorn snurrar som en propeller.
Dragkraftskonstruktioner används mer för vertikala vindkraftverkskonstruktioner som har stora skålformade eller böjda blad. Vinden trycker bokstavligen bort bladen som är fästade på en central axel. Fördelarna med rotorblad med dragkonstruktion är lägre rotationshastigheter och höga vridmoment, vilket gör dem användbara för vattenpumpar och jordbruksmaskiner. Vindkraftverk med lyftkraft har en mycket högre rotationshastighet än vindkraftverk med dragkraft och är därför väl lämpade för elproduktion.
– Antal rotorblad – Antalet rotorblad i ett vindkraftverk bestäms i allmänhet av den aerodynamiska effektiviteten och kostnaden. Det ideala vindkraftverket skulle ha många tunna rotorblad, men de flesta vindkraftverk med horisontell axel har endast ett, två eller tre rotorblad. Att öka antalet rotorblad över tre ger endast en liten ökning av rotorns effektivitet men ökar dess kostnad, så fler än tre blad behövs vanligtvis inte, men det finns små turbingeneratorer med flera blad med hög rotation för hemmabruk. Generellt sett gäller att ju färre blad det finns, desto mindre material behövs vid tillverkningen, vilket minskar den totala kostnaden och komplexiteten.
Enkla rotorblad har en motviktsvikt på motsatt sida av rotorn, men drabbas av hög materialspänning och vibrationer på grund av den ojämna rotationsrörelsen hos det enkla bladet som måste röra sig snabbare för att fånga upp samma mängd vindenergi. Med enkel- eller till och med dubbelbladiga rotorer passerar också större delen av den tillgängliga luftrörelsen och därmed vindkraften genom turbinens ojämna tvärsnittsarea utan att interagera med rotorn, vilket minskar deras effektivitet.
Multibladiga rotorer har å andra sidan en jämnare rotationsrörelse och lägre bullernivåer. Lägre rotationshastigheter och vridmoment är möjliga med flerbladiga konstruktioner, vilket minskar påfrestningarna i drivlinan, vilket leder till lägre kostnader för växellådor och generatorer. Vindkraftverkskonstruktioner med många blad eller mycket breda blad kommer dock att utsättas för mycket stora krafter i mycket starka vindar, vilket är anledningen till att de flesta vindkraftverkskonstruktioner använder tre rotorblad.
– Ett udda eller jämnt antal rotorblad? – Ett vindkraftverk som har ett ”jämnt” antal rotorblad, 2, 4 eller 6, etc., kan drabbas av stabilitetsproblem när det roterar. Detta beror på att varje rotorblad har ett exakt motsatt blad som är placerat 180o i motsatt riktning. När rotorn roterar pekar det översta bladet vertikalt uppåt (klockan 12) medan det nedersta bladet pekar rakt ner framför turbinens stödtorn. Resultatet är att det översta bladet böjer sig bakåt, eftersom det får den största kraften från vinden, så kallad ”dragkraftsbelastning”, medan det nedre bladet passerar in i det vindfria området direkt framför stödtornet.
Denna ojämna böjning av turbinens rotorblad (det översta böjt i vinden och det nedre rakt) vid varje vertikal justering ger upphov till oönskade krafter på rotorns blad och rotoraxel när de två bladen böjs fram och tillbaka när de roterar. För ett litet styvt turbinverk med aluminium- eller stålblad är detta kanske inte ett problem, till skillnad från längre glasfiberförstärkta plastblad.
En vindturbinkonstruktion som har ett ”ODD”-antal rotorblad (minst tre blad) roterar jämnare eftersom de gyroskopiska krafterna och böjkrafterna balanseras jämnare över bladen, vilket ökar turbinens stabilitet. Det vanligaste vindkraftverket med udda blad är ett trebladigt vindkraftverk. Effekten av en trebladig rotor är något högre än för en tvåbladig rotor av samma storlek, och på grund av det extra bladet kan de rotera långsammare, vilket minskar slitage och buller.
För att undvika turbulens och växelverkan mellan de intilliggande bladen bör avståndet mellan varje blad i en flerbladig konstruktion och dess rotationshastighet vara tillräckligt stort så att ett blad inte stöter på det störda, svagare luftflödet som orsakas av att det föregående bladet passerar samma punkt strax före det. På grund av denna begränsning har de flesta vindkraftverk av udda typ högst tre blad på sina rotorer och roterar i allmänhet med lägre hastigheter.
Generellt sett integreras trebladiga turbinrotorer bättre i landskapet, är mer estetiskt tilltalande och aerodynamiskt effektivare än tvåbladiga konstruktioner, vilket bidrar till att trebladiga vindkraftverk är mer dominerande på marknaden för vindkraftproduktion. Vissa tillverkare tillverkar dock två- och sexbladiga turbiner (för segelbåtar). Andra fördelar med udda (tre) rotorbladiga rotorer är bland annat jämnare drift, mindre buller och färre fågelattacker, vilket kompenserar för nackdelen med de högre materialkostnaderna. Bullernivån påverkas inte nämnvärt av antalet blad.
– Rotorbladslängd – Tre faktorer avgör hur mycket kinetisk energi som kan utvinnas ur vinden av ett vindkraftverk: ”luftens densitet”, ”vindens hastighet” och ”rotorns area”. Luftens densitet beror på hur långt över havsnivån man befinner sig, medan vindhastigheten styrs av vädret. Vi kan dock kontrollera den rotationsyta som rotorbladen sveper över genom att öka deras längd eftersom rotorns storlek avgör hur mycket kinetisk energi ett vindkraftverk kan fånga upp från vinden.
Rotorbladen roterar runt ett centralt lager och bildar en perfekt cirkel på 360o när den roterar, och som vi vet från skolan är arean av en cirkel given som: π.r2. Så när rotorns svepyta ökar, ökar också den yta som den täcker med kvadraten på radien. En fördubbling av längden på en turbins blad resulterar alltså i en fyrfaldig ökning av dess yta, vilket gör att den kan ta emot fyra gånger så mycket vindenergi. Detta ökar dock kraftigt storleken, vikten och i slutändan kostnaden för vindkraftverkskonstruktionen.
En viktig aspekt av bladlängden är rotorns roterande spetshastighet som är ett resultat av vinkelhastigheten. Ju längre turbinbladslängden är, desto snabbare roterar spetsen för en given vindhastighet. På samma sätt gäller för en given rotorbladslängd att ju högre vindhastighet desto snabbare rotation. Så varför kan vi inte ha en vindturbinkonstruktion med mycket längre rotorblad som arbetar i en blåsig miljö och producerar massor av gratis el från vinden? Svaret är att det finns en punkt där längden på rotorbladen och vindhastigheten faktiskt minskar turbinens effektivitet. Detta är anledningen till att många större vindkraftverkskonstruktioner roterar med mycket lägre hastigheter.
Effektiviteten är en funktion av hur snabbt rotorns spets roterar för en given vindhastighet, vilket ger ett konstant förhållande mellan vindhastighet och spets som kallas ”spetshastighetskvot” ( λ ), vilket är en dimensionslös enhet som används för att maximera rotorns effektivitet. Med andra ord är ”tip-speed ratio” (TSR) förhållandet mellan den roterande bladspetsens hastighet i varv per minut och vindens hastighet i mph, och en bra vindturbinkonstruktion kommer att bestämma rotoreffekten för alla kombinationer av vind och rotorhastighet. Ju större detta förhållande är, desto snabbare roterar vindkraftverkets rotor vid en given vindhastighet. Den axelhastighet som rotorn är fixerad till anges i varv per minut (rpm) och beror på vindkraftverkets bladspetshastighet och diameter.
En turbins rotationshastighet definieras som: rpm = vindhastighet x spetshastighetsförhållande x 60 / (diameter x π).
Om en turbinrotor roterar för långsamt låter den för mycket vind passera ostört och utvinner därmed inte så mycket energi som den skulle kunna göra. Å andra sidan, om rotorbladet roterar för snabbt, framstår det för vinden som en stor platt roterande cirkulär skiva, vilket skapar stora mängder luftmotstånd och spetsförluster som bromsar rotorn. Därför är det viktigt att anpassa turbinrotorns rotationshastighet till en viss vindhastighet så att den optimala verkningsgraden uppnås.
Turbinrotorer med färre blad uppnår sin maximala verkningsgrad vid högre spetshastighetskvoter och i allmänhet har trebladiga vindkraftverkskonstruktioner för elproduktion en spetshastighetskvot på mellan 6 och 8, men de kommer att köras smidigare eftersom de har tre blad. Å andra sidan har turbiner som används för vattenpumpning en lägre topphastighetskvot på mellan 1,5 och 2 eftersom de är särskilt utformade för att generera ett högt vridmoment vid låga hastigheter.
– Rotorbladets lutning/vinklingsvinkel – rotorblad till vindturbiner med fast utformning är i allmänhet inte raka eller plana som flygplansvingar, utan har i stället en liten vridning och avsmalning längs längden från spetsen till roten för att möjliggöra de olika rotationshastigheterna längs bladet. Denna vridning gör det möjligt för bladet att absorbera vindens energi när vinden kommer mot det från olika tangentiella vinklar och inte bara rakt fram. Ett rakt eller platt rotorblad slutar att ge lyft och kan till och med stanna (stall) om rotorbladet träffas av vinden i olika vinklar, som kallas ”angreppsvinkel”, särskilt om angreppsvinkeln är för brant.
För att hålla rotorbladet i en optimal angreppsvinkel, vilket ökar lyftet och verkningsgraden, är vindkraftverkens rotorblad i allmänhet vridna i hela bladets längd. Dessutom hindrar denna vridning i vindkraftverkskonstruktionen rotorbladen från att snurra för snabbt vid höga vindhastigheter.
För mycket storskaliga vindkraftverkskonstruktioner som används för elproduktion kan dock denna vridning av bladen göra konstruktionen mycket komplicerad och dyr, så någon annan form av aerodynamisk styrning används för att hålla bladens angreppsvinkel helt i linje med vindriktningen.
Den aerodynamiska kraft som vindkraftverket producerar kan kontrolleras genom att justera vindkraftverkets stigningvinkel i förhållande till vindens angreppsvinkel när varje blad roteras runt sin längsgående axel. Då kan rotorblad med pitchkontroll vara plattare och mer raka men i allmänhet har dessa stora blad en liknande vridning i sin geometri men mycket mindre för att optimera den tangentiella belastningen på rotorbladet.
Varje rotorblad har en roterande vridningsmekanism, antingen passiv eller dynamisk, som är inbyggd i bladroten och som ger en enhetlig inkrementell pitchkontroll i hela dess längd (konstant vridning). Den mängd stigning som krävs är endast några få grader eftersom små förändringar i stigningsvinkeln kan ha en dramatisk effekt på den utgående effekten eftersom vi vet från den tidigare handledningen att den energi som finns i vinden är proportionell mot kuben av vindhastigheten.
En av de stora fördelarna med stigningsreglering av rotorbladet är ökningen av vindhastighetsfönstret. En positiv stigningsvinkel ger ett stort startvridmoment när rotorn börjar vrida sig, vilket minskar dess cut-in vindhastighet. På samma sätt kan man vid höga vindhastigheter, när rotorns maximala hastighetsgräns nås, styra lutningen så att rotorns varvtal inte överskrider gränsen genom att minska dess effektivitet och anfallsvinkel.
Effektreglering av ett vindkraftverk kan åstadkommas genom att använda lutningsreglering på rotorbladen för att antingen minska eller öka lyftkraften på bladen genom att styra anfallsvinkeln. Mindre rotorblad uppnår detta genom att införliva en liten vridning i sin konstruktion. Större kommersiella vindturbiner använder sig av pitchkontroll, antingen passivt med hjälp av centrifugalfjädrar och spakar (som liknar helikopterrotorer) eller aktivt med hjälp av små elmotorer som är inbyggda i bladens nav för att rotera bladet i de önskade graderna. De främsta nackdelarna med pitchstyrning är tillförlitlighet och kostnad.
– Bladkonstruktion – den kinetiska energi som utvinns ur vinden påverkas av rotorbladens geometri och det är viktigt att bestämma den aerodynamiskt optimala bladformen och -konstruktionen. Men förutom den aerodynamiska utformningen av rotorbladet är den strukturella utformningen lika viktig. Den strukturella utformningen består av val av bladmaterial och hållfasthet eftersom bladen böjs och böjs av vindens energi när de roterar.
Det ideala konstruktionsmaterialet för ett rotorblad skulle uppenbarligen kombinera de nödvändiga strukturella egenskaperna med hög hållfasthet i förhållande till viktförhållandet, hög utmattningslivslängd, styvhet, naturlig vibrationsfrekvens och motståndskraft mot utmattning med en låg kostnad och förmågan att lätt formas till den önskade flygplansformen.
Rotorbladen i mindre turbiner som används i bostadsområden i storlekar från 100 watt och uppåt är i allmänhet tillverkade av massivt snittat trä, trälaminat eller kompositer av träfaner samt aluminium eller stål. Rotorblad av trä är starka, lätta, billiga, flexibla och populära i de flesta vindkraftverk för gör-det-själv-konstruktioner eftersom de är lätta att tillverka. Den låga hållfastheten hos trälaminat jämfört med andra trämaterial gör det dock olämpligt för blad med slanka konstruktioner som arbetar vid höga spetshastigheter.
Aluminiumblad är också lätta, starka och lätta att arbeta med, men de är dyrare, lätt böjda och drabbas av metalltrötthet. På samma sätt använder stålblad det billigaste materialet och kan formas och formas till böjda paneler som följer den erforderliga flygplansprofilen. Det är dock mycket svårare att införa en vridning i stålpaneler, och tillsammans med dåliga utmattningsegenskaper, vilket innebär att det rostar, gör att stål sällan används.
Rotorbladen som används för mycket stora horisontella axelvindkraftverk är tillverkade av förstärkta plastkompositer där de vanligaste kompositerna består av glasfiber/polyesterharts, glasfiber/epoxy, glasfiber/polyester och kolfiberkompositer. Glasfiber- och kolfiberkompositer har ett betydligt högre förhållande mellan tryckhållfasthet och vikt jämfört med de andra materialen. Dessutom är glasfiber lätt, starkt, billigt, har goda utmattningsegenskaper och kan användas i en mängd olika tillverkningsprocesser.
Storleken, typen och konstruktionen av det vindkraftverk du kan behöva beror på din särskilda tillämpning och dina effektkrav. Små vindkraftverkskonstruktioner varierar i storlek från 20 watt till 50 kilowatt (kW) med mindre eller ”mikro” (20 till 500 watt) turbiner användas i bostadsområden för en mängd olika tillämpningar såsom elproduktion för att ladda batterier och driva lampor.
Vindenergi är en av världens snabbast växande källor till förnybar energi eftersom det är en ren, vitt spridd energiresurs som är riklig, har noll bränslekostnad, utsläppsfri elproduktionsteknik. De flesta moderna vindturbingeneratorer som finns tillgängliga i dag är utformade för att installeras och användas i installationer av bostadstyp.
Som ett resultat av detta tillverkas de mindre och mer lättviktiga vilket gör att de snabbt och enkelt kan monteras direkt på ett tak eller på en kort stolpe eller ett torn. Genom att installera en nyare turbingenerator som en del av ditt vindkraftsystem för hemmet kan du minska de flesta av de högre kostnaderna för att underhålla och installera ett högre och dyrare turbintorn som du skulle ha gjort tidigare.
I nästa handledning om vindkraft kommer vi att titta på driften och utformningen av vindturbingeneratorer som används för att generera elektricitet som en del av ett vindkraftsystem för hemmet.