Princip návrhu rotoru pro větrné turbíny s vodorovnou osou
ÚVOD
Člověk používal jako první druh energie kromě potravin oheň. Lidé žili pouze s potravou, dokud nepoužili oheň. Kromě toho se lidé oddělili používáním ohně od ostatních živých. Poté člověk používal dřevo na oheň, aby hořel a nezhasínal. Museli si rozdělit práci a žít společensky. Proto lidé používali nový druh energie. Tímto novým druhem energie byli jiní lidé. Kvůli kočovnému životu se museli stěhovat z místa na místo. Výsledkem kočovného života bylo používání zvířat k přepravě. Dalším druhem energie, který lidé využívali, byla vodní energie. Ta byla využívána s koncem kočovného života lidí. A lidé využívali vítr k plavbě lodí a ve 12. století (n. l.) i větrné mlýny. Po 16. Století vzrostla spotřeba energie zejména díky těžbě uhlí. V 19. století se začala používat ropa. Věky průmyslu začaly ropou a velkou lidskou obcí ovlivněny. Poté lidé objevili jadernou energii (Inan, 1995).
Koncem 20. století začaly problémy s životním prostředím. A to nás vedlo k čistým a obnovitelným energiím. Mezi tyto čisté a obnovitelné energie patří slunce, geotermální energie, biomasa, vodní energie, vítr atd. (Inan, 1995).
Veškerá energie, kterou zemský povrch potřebuje, pochází ze Slunce. Přibližně 1-2 % této energie se přemění na energii větru (Vindmolleindustrien, 2006). Můžeme tedy říci, že energie větru je sluneční energie, která se přeměňuje na rychlostní energii (kinetickou energii) (Karadeli, 1999). Vítr je definován jako pohyb vzduchu v atmosféře za účelem vyrovnání tepelné nerovnováhy, která je způsobena nerovnoměrným ohřevem vzduchu hlavním zdrojem energie, Sluncem (Ozdamar a Colak, 2000).
Hlavní síly v atmosféře, které vytvářejí vítr a ovlivňují jeho rychlost, jsou; tlaková gradientní síla, odváděcí síla, odstředivá síla a síla tření (Yavuzcan, 1974). Tlaková gradientní síla působí na pohyb vzduchu od vysokého tlaku k nízkému. Odváděcí síla působí na vzduch dvěma způsoby: jedním je odváděcí síla zemské rotace pro pohyby, které vznikají podél kruhů zeměpisné šířky, a druhým je odváděcí síla zemské rotace pro pohyby od rovníku k pólům nebo v opačném směru. Větry obecně jsou pod vlivem síly, která je chce odklonit od jejich středu, protože se stáčejí kolem středu. Tato síla se nazývá odstředivá síla. Třecí síla se snaží snížit rychlost větru. Účinek této síly je největší v blízkosti zemského povrchu (Yavuzcan, 1994).
VÝZNAM ROTORU
Rotor je orgán, který přeměňuje kinetickou energii větru na energii mechanickou. Z tohoto důvodu je pro větrné turbíny velmi důležitý. Je velmi důležité, aby rotor a rotorové listy měly optimální vlastnosti, protože ty mají přímý vliv na účinnost větrných turbín.
| Obrázek 2. 1: | Součinitel výkonu (Cp) podle Betze (1926) |
Proudící hmota má díky své rychlosti kinetickou energii (Klug, 2001).
Dosah se odvozuje od energie za čas. Výpočty hmotnostního toku:
Z těchto podmínek můžeme vypočítat výkon pomocí následující rovnice (Klug, 2001);
Výkon rovnice udává teoretický výkon, který lze získat z kinetické energie, která je uložena ve větru jako Watt. Tento teoretický výkon je třeba přeměnit na užitečný výkon pomocí rotoru turbíny. V tomto bodě je třeba vzít v úvahu konstantu, která je ovlivněna rychlostí větru, otáčkami hřídele turbíny a volbou lopatek. Tato konstanta se nazývá konstanta ideálního výkonu (Cp). Typ lopatek, tvar lopatek, úhel sklonu a rychlost špičky lopatek jsou zde účinnými faktory. Na obr. 1 je znázorněn diagram ideálního součinitele výkonu. Teoreticky nesmí ideální výkonová konstanta překročit hodnotu 0,59. Tato konstanta se nazývá Betzova konstanta. V praxi je tato hodnota ještě menší (Becenen a Eker, 2001). V praxi totiž vstupují do hry mechanické ztráty (η). Hodnotu mechanické účinnosti však lze při výpočtech zanedbat, protože se blíží 1. Naše rovnice s tímto poznatkem je následující:
Jedna věc, na kterou se zde nesmí zapomenout, je, že hustota vzduchu je 1,225 kgm-3 za standardních meteorologických podmínek (teplota: 15 °C a tlak vzduchu: 1013,3 hPa) (Klug, 2001). Při změnách teploty a tlaku vzduchu se hustota vzduchu změní.
| Obr. 2: | Počet cyklů různých konstrukcí během životnosti (Klug, 2001) |
ROTOR VĚTRNÉ TURBÍNY A OSTATNÍ KONSTRUKCE
Na obr. 2 je znázorněn počet cyklů různých konstrukcí během životnosti. 2 je uveden počet cyklů různých konstrukcí během jejich životnosti.
Komerční letadla jsou namáhána více než mosty a vrtulníky. Oproti tomu je nižší počet otáček než u mostů a vrtulníků. V této posloupnosti jsou mosty až za komerčními letadly. Vrtulníky mají větší napětí než po mostech. A větrné turbíny přicházejí na řadu jako poslední. Tento poznatek nám ukazuje, že větrné turbíny nejsou příliš namáhány, i když mají vyšší počty otáček pracuje.
Upozornění, že konstrukce rotorů
| – | K nízké rychlosti větru vysoký výkon. |
| – | Dodávat vysoký výkon do malé výšky náboje. |
| – | Dodávat vysoký výkon do malých průměrů rotoru. |
| – | Zvýšení výkonových koeficientů rotoru. |
| – | Optimální poměr otáček špičky rotoru vyrobit. |
Zásady návrhu rotoru
Dosažení maximální výroby energie z větrné turbíny závisí na různých faktorech. Jsou to faktory jako výška větrné turbíny; plocha záběru lopatek větrné turbíny a aerodynamická struktura, hustota vzduchu a rychlost větru. Nejdůležitějšími z těchto faktorů jsou výška větrné turbíny a aerodynamická struktura lopatek větrné turbíny. Výška větrné turbíny je důležitá, protože rychlost větru se zvyšuje se vzdáleností od zemského povrchu (Yavuzcan, 1994; Klug, 2001). Aerodynamická struktura lopatky větrné turbíny je důležitá, protože dokáže přeměnit maximálně 59 % kinetické energie, kterou má vítr, na užitečnou energii (Klug, 2001).
Aerodynamika motoru větrné turbíny:
| Obr. 1: Aerodynamika rotoru větrné turbíny při přeměně energie větru, která vzniká ohřevem různých míst atmosféry hlavním zdrojem energie sluncem, na energii elektrickou; rotor větrné turbíny, který je prvním kruhem v transformačním řetězci, může být navržen podle Betze nebo Glauberta-Schmitze za účelem přenosu stávající energie větru s minimálními ztrátami (Ozdamar a Kavas, 1999). 3: | Úprava úhlů β (Piggott, 2006) |
| Obr. 4: | Některé úhly profilů listů (Piggott, 2006) |
Vypočítává rychlost otáčení prvku listu rotoru, který leží se vzdáleností r od středu rotoru, jako dole (Ozdamar a Kavas, 1999):
A poměr otáček špičky rotoru lze vypočítat pomocí následující rovnice (Ozdamar a Kavas, 1999).
Při konstrukci lopatek je třeba upravit úhly beta (obr. 3), aby bylo možné využít kord na lopatce (Piggott, 2006).
Vítr vanoucí z opačného směru sbírá skutečný vítr, aby vznikl viditelný vítr, který poskytuje vztlakové a tažné síly (Piggott, 2006).
Pokud chceme navrhnout rotor větrné turbíny, pak je úhel náběhu závislý na úhlu viditelného větru Φ a úhlu lopatek (obr. 3). 4).
| Obr. 5: | Ten objem větru, který prvky lopatek pracuje (Piggott, 2006) |
Úhel lopatek řídí úhel náběhu, tedy řídí velikost zdvihu a odporu v lopatkách (Piggott, 2006).
V praxi většina profilů vytváří nejlepší křivku zvedání/vlečení, když je úhel náběhu 5 stupňů. Obecně platí, že pokud nelze získat podrobné údaje, znamená uvedení tohoto úhlu napadení vystavení úhlu lopatky (Piggott, 2006).
Když se připravuje úhel napadení lopatky, musí se připravit také šířka šňůry. Zde je důvod; každý prvek lopatky je pod vlivem určitého větru jako struna, aby mohl pracovat. Struna s poloměrem r je v blízkosti středu malá a zvětšuje se, jak se vzdaluje od středu, a množství větru ve struně se udržuje nízké. Nejdůležitější částí věci jsou lopatky nejvíce vzdálené od středu (obr. 5). Část, která je nejblíže středu, je méně důležitá, ale nevyhnutelně má jinou podobu (Piggott, 2006).
Podle Betze vítr zpomaluje svou rychlost v poměru 1/3 v každé části zametací plochy rotorů a toto zpomalení je realizováno tlakovou silou, která úzce souvisí se vztlakovou silou. Z tohoto předpisu vychází následující rovnice (Piggott, 2006).
Pro výpočet počtu lopatek lze použít následující rovnici (Piggott, 2006):
Kord ve vnější části lopatky lze vypočítat pomocí následující rovnice (Piggott, 2006):
Vnější část lopatky je pro pohyb rotorů důležitější. Vnitřní část lopatek však musí být navržena širší, aby napomáhala výkonu otáčení na začátku (Piggott, 2006).
Výška rotoru větrné turbíny: Jak se rychlost větru vzdaluje od zemského povrchu, osvobozuje se od třecího účinku způsobeného drsností zemského povrchu. Pohybuje se tedy volněji. Jak se vzdaluje od překážek, které zpomalují jeho rychlost, jeho rychlost se zvyšuje. Předpokládá se, že větry, které jsou 1000 m nad zemským povrchem, tedy geostrofické větry, nejsou ovlivněny drsností zemského povrchu a třecími ztrátami. Ve světle těchto úvah můžeme říci, že existuje vztah mezi rychlostí větru a výškou větru. To je důvod, proč se větrné elektrárny staví co nejvyšší (Becenen a Eker, 2001).
Hodnoty rychlosti větru s výškou osy rotoru lze vypočítat pomocí následující rovnice (Klug, 2001).
Koeficient drsnosti hodnot do této rovnice vychází z pozorování, předpokladu a zkušeností (Klug, 2001).
Průměr rotoru větrné turbíny: Kromě určení výšky turbíny je třeba určit průměr větru, který lopatky rotoru obtékají. Průměr větru, který lopatky rotoru vymetají, má přímý vliv na výkon, který bude z turbíny získán. Průměr rotorů nám určí plochu větrného úseku, který rotor zametá (Klug, 2001).
Potenciál větru v místě, kde bude rotor větrné turbíny pracovat: Větrný potenciál v místě, kde bude instalována větrná turbína, je velmi důležitý. Z tohoto důvodu je jedním z parametrů, které je třeba zohlednit při návrhu rotoru. Potenciál rychlosti větru v místě, kde bude větrná turbína instalována, je třeba sledovat alespoň po dobu 6 měsíců. Potenciál větru má přímý vliv na účinnost rotoru větrné turbíny.
Rychlost větru je nejdůležitějším faktorem o energii větru. Výkon, který bude získán z větru, je přímo úměrný třetímu výkonu rychlosti větru.
| Obr. 6: | Zadržování větru proti této překážce (Klug, 2001) |
| Obr. 6. 7: | Vertikální profil větru |
Přibližně řečeno, pokud je například rychlost větru 1 m s-1, pak výkon, který bude získán, je 13 = 1 W a když se rychlost zvýší na 2 m/s, pak výkon, který bude získán, bude 23 = 8 W, když se rychlost zvýší na 2 m s-1, pak výkon, který bude získán, bude 33 = 27 W a tak dále (Vindmolleindustrien, 2006).
Když má rychlost větru tak velký vliv na výkon, který bude získán z větrné turbíny, je velmi důležitý potenciál větru v místě, kde bude turbína postavena. Hlavním cílem je najít místo, kde je rychlost větru maximální, a tam turbínu instalovat.
Pozemková struktura místa, kde bude rotor větrné turbíny pracovat: Existuje vztah mezi rychlostí větru a výškou větru. Tento vztah je závislý na některých podmínkách. Tyto podmínky vycházejí z tvarů terénu. Stejné podmínky neplatí na rovném povrchu země a na povrchu s překážkami. Na rovném povrchu země s rostoucí výškou roste v přímé úměře i rychlost, ale na povrchu země s překážkami to platit nebude. Na povrchu s překážkami bude muset vítr překonávat překážky, aby mohl pokračovat ve své dráze, a to způsobí pauzu v rychlosti větru.
Pokud je nejdůležitějším kritériem pro získávání energie z větru rychlost větru, pak je velmi důležité najít oblasti, kde je rychlost větru vysoká, a tam instalovat rotor větrné elektrárny. Nesmíme se však mylně domnívat, že když zvýšíme výšku, vždy zachytíme vítr, který obsahuje více energie (obr. 6).
Faktory, které ovlivňují rychlost větru v závislosti na výšce, jsou: Von Karmanova konstanta, rychlost povrchového tření a délka drsnosti.
Von Karmanova konstanta se bere v různých hodnotách mezi 0 a 4; délka drsnosti se bere v rozmezí od 0 do 5. Grafické znázornění těchto hodnot je uvedeno níže (obr. 7).
Výkon požadovaný od rotoru větrné turbíny: Před výběrem větrné turbíny pro podnik musíme nejprve určit, kolik elektrického výkonu náš podnik potřebuje. Tímto způsobem lze určit výkon větrné turbíny, která bude instalována. Výkon požadovaný od rotoru je třeba určit podle instalovaného výkonu podniku. V tomto okamžiku je třeba vzít v úvahu také množství výkonu, které bude podnik potřebovat v budoucnu (Yavuzcan, 1978).
Celkový výkon centrály (Yavuzcan, 1978):
Pro maximální spotřebu použitý výkon je zde (Yavuzcan, 1978);
Výkon světla podniku je (Yavuzcan, 1978);
ZÁKLADY NAVRŽENÝCH ROTORŮ
Výpočty o navržených zkušebních lopatkách: Stanovení měrné hmotnosti vzduchu: Měření hodnot teploty vzduchu v aerodynamickém tunelu při práci s experimentálními lopatkami. A lze ji vypočítat pomocí následující rovnice. Takže tato hodnota určí hustotu atmosféry (Vardar, 2002).
Určení plochy průřezu rotoru: Plocha průřezu rotoru je ustálená hodnota a závisí na průměru rotoru. Při výpočtu roviny průřezu rotoru se používá následující rovnice.
Výpočet teoretického výkonu větru, který jde na rotor: Vítr má díky své rychlosti kinetickou energii. Vzhledem ke kinetické energii zde udává výkon. A tento výkon je maximální výkon, který z větru pochází a je využitelný. Tento maximální výkon lze vypočítat pomocí následující rovnice (Klug, 2001):
Zjištění hodnoty elektrického výkonu na elektromotoru: Vzhledem k rychlosti větru se bude rotor otáčet. A proto do elektromotoru bude vycházet proud a napětí. Hodnotu tohoto proudu a napětí lze změřit pomocí analyzátorů obvodů. A tyto dvě hodnoty zapíšeme do následující rovnice, ve které získáme elektrický výkon (Erna, 1977).
Určení poměru rychlosti lopatek na špičce: Poměr otáček špičky je vztah s rychlostí otáčení (Z bodu na vzdálenosti r (poloměru) od středu rotoru je rychlost otáčení) a rychlostí větru. Tuto rychlost otáčení lze určit pomocí následující rovnice (Ozdamar a Kavas, 1999):
A poměr otáček špičky lze vypočítat pomocí následující rovnice (Ozdamar a Kavas, 1999):
Výpočet součinitele výkonu: Celý teoretický výkon větru se nemůže přeměnit na praktický výkon (Betz, 1926). Při transformaci dávají určité výkonové ztráty. Za této podmínky se musí vypočítat vztah transformace z teoretického výkonu větru na výkon nápravy. Při výpočtech lze použít následující rovnici (Ozdamar a Kavas, 1999):
V tabulce 1 je uvedena hodnota ztrát víru.
| Tabulka 1: | Hodnoty CPschmitz podle λ (Ozdamar a Kavas, 1990) |
Ztrátu profilu lze vypočítat pomocí následující rovnice (Ozdamar a Kavas, 1999).
Číslo skluzu lze vypočítat pomocí následující rovnice (Ozdamar a Kavas, 1999).
Hodnota tohoto ε se mění v závislosti na profilu čepele.
Hodnoty rychlosti získané pomocí experimentů zapište do následující rovnice (Piggott, 2006).
Pokud vypočtené hodnoty Re a použitý profil dodrží, lze získat optimální hodnotu CK/CD a α (úhel náběhu) (pomocí softwaru Snack 2.0).
Ztráty na špičce lze vypočítat pomocí následující rovnice (Ozdamar a Kavas, 1999).
Zjištění výkonu hřídele: Pomocí rovnic 18 a 22 lze určit teoretický výkon větru a součinitel výkonu. Tyto dva hodnotné zápisy do následující rovnice mohou dosadit praktický osový výkon profilů lopatek (Ozdamar a Kavas, 1999).
Výpočty o skutečných lopatkách: S ohledem na výsledky zkoušek lze hodnotu výkonu, kterou lze získat z hřídele rotoru, který bude instalován na větrné turbíně, vypočítat následující metodou.
Zjištění plochy průřezu rotoru: Rovněž plochu průřezu rotoru skutečné lopatky lze vypočítat pomocí rovnice 17 (Birnie, 1999). Hodnoty průměru rotoru musí být pro porovnání rotorů po výpočtech stejné.
Určení výkonu hřídele rotoru: Hodnota Cp, která se používá u osového výkonu rotoru, byla vypočtena podle rovnice 22. Pro porovnání rotorů po výpočtech musí být hodnoty hustoty atmosféry a rychlosti větru stálé. Osový výkon rotoru reálných lopatek lze vypočítat pomocí následující rovnice (Klug, 2001):
Přizpůsobení reálných lopatek regionům přítomnosti větru: Hodnoty rychlosti větru, které jsou zde použity, jsou hodnoty, které byly měřeny a pozorovány po dobu nejméně 6 měsíců. Hodnoty rychlosti větru, které jsou zde použity, jsou hodnoty naměřené 10 m nad zemí. Hodnota koeficientu výkonu, která je zde použita, je důležitá. Pro porovnání rotorů na konci výpočtů je třeba vzít hodnotu měrné hmotnosti vzduchu jako konstantní hodnotu.
Výpočet plochy průřezu rotorů: Plochu průřezu rotoru při skutečných úpravách lopatek do oblasti lze vypočítat pomocí rovnice 17 (Birnie, 1999).
Určení rychlosti větru na výšku osy rotoru: Rychlost větru ve výšce náboje rotoru lze vypočítat pomocí následující rovnice (Klug, 2001).
Výpočet výkonu na hřídeli rotoru: Výkon v ose lze vypočítat pomocí rovnice (Klug, 2001). 25 (Klug, 2001).
ZÁVĚRY
Pro zvýšení účinnosti větrných turbín jsou u větrných turbín s horizontální osou velmi důležité zásady plánování rotoru. Od instalované větrné turbíny nelze očekávat maximální účinnost, aniž by byly provedeny optimalizační procesy.
Stejně jako v každém tématu, i při využívání větrné energie musí být základní hodnoty založeny na vědeckých údajích. Pokud je téma posuzováno z tohoto hlediska, musí být u větrných turbín předloženy konstrukční parametry rotoru. Odtud lze vycházet a na základě zdrojových dat vyvinout nejvhodnější systémy.
Základní strategií je uvést do praxe vysoce výkonné systémy, které mohou konkurovat.
Nomenklatura
.