Prinzip der Rotorkonstruktion für Windturbinen mit horizontaler Achse
EINFÜHRUNG
Der Mensch nutzte das Feuer als erste Energieart, abgesehen von der Nahrung. Bis zur Nutzung des Feuers lebten die Menschen nur mit der Nahrung. Außerdem trennte sich der Mensch mit der Nutzung des Feuers vom anderen Leben. Danach benutzte man das Holz für das Feuer, um es zu verbrennen und es nicht zu löschen. Sie mussten sich beim sozialen Leben die Arbeit teilen. Deshalb benutzten die Menschen eine neue Energieart. Die neue Energieart war ein anderer Mensch. Wegen des nomadischen Lebens mussten sie von einem Ort zum anderen ziehen. Das Ergebnis des nomadischen Lebens war die Verwendung von Tieren als Transportmittel. Eine andere vom Menschen genutzte Energieart ist die Wasserkraft. Diese wurde mit Ende des nomadischen Lebens von den Menschen genutzt. Und die Menschen haben den Wind für Segelboote und im 12. Jahrhundert (D.C.) mit Windmühlen genutzt. Nach dem 16. Jahrhundert stieg vor allem der Energieverbrauch wegen der Kohleförderung. Im 19. Jahrhundert wurde Petroleum verwendet. Mit Erdöl begann das Zeitalter der Industrie und der großen betroffenen Menschengemeinde. Danach entdeckten die Menschen die Kernenergie (Inan, 1995).
Ende des 20. Jahrhunderts begann es Probleme mit der Umwelt. Und das führte uns zu sauberen und erneuerbaren Energien. Diese sauberen und erneuerbaren Energien sind Sonne, Geothermie, Biomasse, Wasserkraft, Wind usw. (Inan, 1995).
Die gesamte Energie, die die Erdoberfläche benötigt, stammt von der Sonne. Ungefähr 1-2% dieser Energie wird in Windenergie umgewandelt (Vindmolleindustrien, 2006). Wir können also sagen, dass Windenergie Sonnenenergie ist, die in Geschwindigkeitsenergie (kinetische Energie) umgewandelt wird (Karadeli, 1999). Wind ist definiert als die Bewegung der Luft in der Atmosphäre, um das Wärmeungleichgewicht auszugleichen, das durch die ungleichmäßige Erwärmung der Luft durch die Hauptenergiequelle, die Sonne, verursacht wird (Ozdamar und Colak, 2000).
Die Hauptkräfte in der Atmosphäre, die Wind erzeugen und seine Geschwindigkeit beeinflussen, sind: Druckgradientenkraft, Umlenkkraft, Zentrifugalkraft und Reibungskraft (Yavuzcan, 1974). Die Druckgradientenkraft bewirkt, dass die Luft von einem hohen Druck zu einem niedrigen Druck bewegt wird. Die Ablenkungskraft wirkt auf zwei Arten auf die Luft ein: zum einen als Ablenkungskraft der Erdrotation für Bewegungen, die entlang der Breitenkreise entstehen, und zum anderen als Ablenkungskraft der Erdrotation für Bewegungen vom Äquator zu den Polen oder in die entgegengesetzte Richtung. Winde stehen im Allgemeinen unter der Wirkung einer Kraft, die sie von ihrem Zentrum ablenken will, weil sie sich um ein Zentrum drehen. Diese Kraft wird als Zentrifugalkraft bezeichnet. Die Reibungskraft versucht, die Geschwindigkeit des Windes zu verringern. Die Wirkung dieser Kraft ist in der Nähe der Erdoberfläche am größten (Yavuzcan, 1994).
WIRKUNG DES ROTORS
Der Rotor ist das Organ, das die kinetische Energie des Windes in mechanische Energie umwandelt. Aus diesem Grund ist er für Windkraftanlagen sehr wichtig. Es ist sehr wichtig, dass der Rotor und die Rotorblätter optimale Eigenschaften haben, da diese einen direkten Einfluss auf die Effizienz von Windkraftanlagen haben.
| Abbbb. 1: | Leistungskoeffizient (Cp) nach Betz (1926) |
Eine strömende Masse hat aufgrund ihrer Geschwindigkeit eine kinetische Energie (Klug, 2001).
Die Leistung ergibt sich aus der Energie pro Zeit. Berechnet man den Massenstrom:
Unter diesen Bedingungen kann man die Leistung mit folgender Gleichung (Klug, 2001) berechnen:
Die Leistungsgleichung gibt die theoretische Leistung an, die aus der im Wind gespeicherten kinetischen Energie als Watt gewonnen werden kann. Diese theoretische Leistung muss mit Hilfe des Turbinenrotors in nutzbare Leistung umgewandelt werden. Dabei muss eine Konstante berücksichtigt werden, die von der Windgeschwindigkeit, der Drehzahl der Turbinenwelle und der Wahl der Rotorblätter abhängt. Diese Konstante wird als ideale Leistungskonstante (Cp) bezeichnet. Blatttyp, Blattform, Neigungswinkel und Geschwindigkeit der Blattspitze sind hier wirksame Faktoren. In Abb. 1 ist das Diagramm der idealen Leistungskonstante dargestellt. Theoretisch kann die ideale Leistungskonstante 0,59 nicht überschreiten. Diese Konstante wird als Betz-Konstante bezeichnet. In der Praxis ist dieser Wert noch kleiner (Becenen und Eker, 2001). Denn in der Praxis kommen mechanische Verluste (η) zum Tragen. Der Wert für den mechanischen Wirkungsgrad kann jedoch bei den Berechnungen vernachlässigt werden, da er nahe bei 1 liegt. Unsere Gleichung lautet mit diesem Wissen:
Eine Sache, die dabei nicht vergessen werden darf, ist, dass die Luftdichte unter meteorologischen Standardbedingungen (Temperatur: 15°C und Luftdruck: 1013,3 hPa) 1,225 kgm-3 beträgt (Klug, 2001). Die Änderungen der Lufttemperatur und des Luftdrucks verändern die Luftdichte.
| Abb. 2: | Anzahl der Zyklen verschiedener Strukturen während der Lebensdauer (Klug, 2001) |
Der Windturbinenrotor und die anderen Konstruktionen
In Abb. 2 die Anzahl der Zyklen der verschiedenen Strukturen während der Lebensdauer.
Verkehrsflugzeuge haben mehr Stress als die Brücken und die Hubschrauber. Umgekehrt ist die Anzahl der Umdrehungen niedriger als bei den Brücken und den Hubschraubern. In dieser Reihenfolge kommen die Brücken nach den Verkehrsflugzeugen. Die Hubschrauber haben mehr Stress als die Brücken. Und die Windkraftanlagen kommen an letzter Stelle. Diese Erkenntnis zeigt uns, dass die Windturbinen nicht sehr viel Stress haben, obwohl sie mit höheren Umdrehungszahlen arbeiten.
Hinweis zur Rotorauslegung
| – | Für niedrige Windgeschwindigkeit hohe Leistung. |
| – | Die hohe Leistung bei niedriger Nabenhöhe liefern. |
| – | Die hohe Leistung bei kleinen Rotordurchmessern liefern. |
| – | Die Leistungskoeffizienten des Rotors erhöhen. |
| – | Optimal das Spitzendrehzahlverhältnis des Rotors erzeugen. |
ROTORKONSTRUKTIONSPRINZIPIEN
Die Erzielung einer maximalen Energieerzeugung aus einer Windkraftanlage hängt von verschiedenen Faktoren ab. Dazu gehören Faktoren wie die Höhe der Windturbine, die überstrichene Fläche der Windturbinenblätter und die aerodynamische Struktur, die Luftdichte und die Windgeschwindigkeit. Die wichtigsten dieser Faktoren sind die Höhe der Windturbine und die aerodynamische Struktur der Windturbinenblätter. Die Höhe der Windturbine ist wichtig, weil die Windgeschwindigkeit mit zunehmender Entfernung von der Erdoberfläche zunimmt (Yavuzcan, 1994; Klug, 2001). Die aerodynamische Struktur der Windturbinenblätter ist wichtig, weil sie maximal 59% der kinetischen Energie des Windes in Nutzenergie umwandeln kann (Klug, 2001).
Rotoraerodynamik der Windturbine: Bei der Umwandlung von Windenergie, die durch die Erwärmung verschiedener Punkte der Atmosphäre durch die Hauptenergiequelle Sonne entsteht, in elektrische Energie; der Windrotor, der der erste Ring in der Umwandlungskette ist, kann nach Betz oder Glaubert-Schmitz entworfen werden, um die vorhandene Windenergie mit minimalen Verlusten zu übertragen (Ozdamar und Kavas, 1999).
| Fig. 3: | Anpassung der Winkel β (Piggott, 2006) |
| Abbildung. 4: | Einige Winkel von Blattprofilen (Piggott, 2006) |
Berechnet die Rotationsgeschwindigkeit eines Blattelements des Rotors, das im Abstand r vom Rotorzentrum liegt, wie unten (Ozdamar und Kavas, 1999):
Und das Spitzengeschwindigkeitsverhältnis des Rotors kann mit folgender Gleichung berechnet werden (Ozdamar und Kavas, 1999).
In einem Blattdesign müssen die Winkel beta (Abb. 3) angepasst werden, um das Seil am Blatt zu nutzen (Piggott, 2006).
Wind, der aus der entgegengesetzten Richtung weht, sammelt den realen Wind, um den sichtbaren Wind zu ergeben, der für Auftriebs- und Zugkräfte sorgt (Piggott, 2006).
Wenn ein Windkraftanlagenrotor konstruiert werden soll, dann ist der Angriffswinkel abhängig von den sichtbaren Winden Φ-Winkel und Blattwinkel (Abb. 4).
| Abb. 5: | Das Windvolumen, mit dem die Blattelemente arbeiten (Piggott, 2006) |
Der Blattwinkel steuert den Anstellwinkel und damit den Hub- und Schleppbetrag im Blatt (Piggott, 2006).
In der Praxis ergibt sich bei den meisten Profilen die beste Hebe-/Schleppkurve, wenn der Anstellwinkel 5 Grad beträgt. Als allgemeiner Grundsatz gilt: Wenn keine detaillierten Daten verfügbar sind, bedeutet die Angabe dieses Anstellwinkels, dass der Klingenwinkel offengelegt wird (Piggott, 2006).
Wenn der Klingenwinkel vorbereitet wird, muss auch die Schnurbreite vorbereitet werden. Der Grund dafür ist, dass jedes Blattelement als Schnur unter der Wirkung eines bestimmten Windes steht, um zu funktionieren. Eine Schnur mit dem Radius r ist in der Nähe der Mitte klein und wird größer, je weiter sie sich von der Mitte entfernt, und die Windmenge in der Schnur wird gering gehalten. Der wichtigste Teil des Dings sind die Klingen, die am weitesten vom Zentrum entfernt sind (Abb. 5). Der Teil, der dem Zentrum am nächsten ist, ist weniger wichtig, aber zwangsläufig in einer anderen Form (Piggott, 2006).
Nach Betz verlangsamt der Wind seine Geschwindigkeit in einem Verhältnis von 1/3 in jedem Teil der Rotorfläche und diese Verlangsamung wird durch eine Schubkraft realisiert, die eng mit der Auftriebskraft verbunden ist. Aus dieser Regelung ergibt sich die folgende Gleichung (Piggott, 2006).
Um die Schaufelzahl zu berechnen, kann folgende Gleichung verwendet werden (Piggott, 2006):
Die Schnur im äußeren Teil der Schaufel kann mit der folgenden Gleichung (Piggott, 2006) berechnet werden:
Der äußere Teil der Schaufel ist für die Bewegung des Rotors wichtiger. Der innere Teil der Blätter muss jedoch breiter gestaltet werden, um die Rotationskraft beim Start zu unterstützen (Piggott, 2006).
Rotorhöhe von Windkraftanlagen: Je weiter sich der Wind von der Erdoberfläche entfernt, desto freier wird er von der Reibung, die durch die Unebenheiten der Erdoberfläche verursacht wird. Dadurch bewegt er sich freier. Je weiter er sich von Hindernissen entfernt, die seine Geschwindigkeit bremsen, desto höher wird seine Geschwindigkeit. Es wird angenommen, dass Winde, die sich 1000 m über der Erdoberfläche befinden, nämlich geostrophische Winde, nicht durch die Rauheit der Erdoberfläche und Reibungsverluste beeinträchtigt werden. Im Lichte dieser Überlegungen können wir sagen, dass es einen Zusammenhang zwischen Windgeschwindigkeit und Windhöhe gibt. Dies ist der Grund, warum Windkraftanlagen so hoch wie möglich gebaut werden (Becenen und Eker, 2001).
Die Windgeschwindigkeitswerte mit der Rotorachsenhöhe können mit der folgenden Gleichung berechnet werden (Klug, 2001).
Der Rauhigkeitsbeiwert der Werte in dieser Gleichung stammt aus der Beobachtung, der Annahme und der Erfahrung (Klug, 2001).
Rotordurchmesser der Windkraftanlage: Neben der Bestimmung der Anlagenhöhe muss auch der Durchmesser des Windes, den das Rotorblatt überstreicht, ermittelt werden. Der Durchmesser des Windes, den das Rotorblatt überstreicht, hat eine direkte Auswirkung auf die Leistung, die aus der Turbine gewonnen wird. Der Rotordurchmesser bestimmt die Fläche des Windabschnitts, den der Rotor überstreicht (Klug, 2001).
Das Windpotenzial in dem Gebiet, in dem der Rotor der Windkraftanlage arbeiten wird: Das Windpotenzial an dem Ort, an dem die Windturbine installiert werden soll, ist sehr wichtig. Aus diesem Grund ist es einer der Parameter, die bei der Rotorauslegung berücksichtigt werden müssen. Das Windpotenzial an dem Ort, an dem die Windturbine installiert werden soll, muss mindestens 6 Monate lang beobachtet werden. Das Windpotenzial wirkt sich direkt auf den Wirkungsgrad des Rotors der Windkraftanlage aus.
Die Windgeschwindigkeit ist der wichtigste Faktor für die Energie des Windes. Die Leistung, die aus dem Wind gewonnen wird, ist direkt proportional zur dritten Windgeschwindigkeit.
| Abb. 6: | Den Wind gegen dieses Hindernis zurückhalten (Klug, 2001) |
| Abb. 7: | Vertikales Windprofil |
Zum Beispiel: Wenn die Windgeschwindigkeit 1 m sec-1 beträgt, dann ist die zu erzielende Leistung 13 = 1 W und wenn die Geschwindigkeit auf 2 m/sec ansteigt, dann ist die zu erzielende Leistung 23 = 8 W, wenn die Geschwindigkeit auf 2 m sec-1 ansteigt, dann ist die zu erzielende Leistung 33 = 27 W und so weiter (Vindmolleindustrien, 2006).
Wenn die Windgeschwindigkeit einen so großen Einfluss auf die von der Windturbine zu erzielende Leistung hat, ist das Windpotenzial an dem Ort, an dem die Turbine errichtet werden soll, sehr wichtig. Das Hauptziel ist es, den Punkt zu finden, an dem die Windgeschwindigkeit am höchsten ist, und die Turbine dort zu installieren.
Die Bodenstruktur des Ortes, an dem der Rotor der Windkraftanlage arbeiten wird: Es gibt eine Beziehung zwischen der Windgeschwindigkeit und der Windhöhe. Diese Beziehung ist von einigen Bedingungen abhängig. Diese Bedingungen ergeben sich aus der Geländeform. Für eine ebene Landfläche und eine Fläche mit Hindernissen gelten nicht dieselben Bedingungen. Auf einer ebenen Landfläche nimmt mit zunehmender Höhe auch die Geschwindigkeit in einem direkten Verhältnis zu, während dies auf einer Landfläche mit Hindernissen nicht der Fall ist. Auf einer Fläche mit Hindernissen muss der Wind über die Hindernisse klettern, um seinen Weg fortzusetzen, und das führt zu einer Pause in der Windgeschwindigkeit.
Wenn die Windgeschwindigkeit das wichtigste Kriterium für die Gewinnung von Energie aus Wind ist, dann ist es sehr wichtig, die Gebiete mit hoher Windgeschwindigkeit zu finden und dort Windturbinenrotoren zu installieren. Aber wir dürfen nicht die falsche Annahme machen, dass wir mit zunehmender Höhe immer Winde auffangen, die mehr Energie enthalten (Abb. 6).
Die Faktoren, die die Windgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Höhe beeinflussen, sind die Von-Karman-Konstante, die Oberflächenreibungsgeschwindigkeit und die Rauhigkeitslänge.
Die Von-Karman-Konstante wird in verschiedenen Werten zwischen 0 und 4 angenommen; die Rauhigkeitslänge wird zwischen 0 und 5 angenommen. Eine Grafik zu diesen Werten findet sich unten (Abb. 7).
Die Leistungsanforderungen an den Rotor einer Windkraftanlage: Bevor man eine Windkraftanlage für ein Unternehmen auswählt, muss man zunächst bestimmen, wie viel elektrische Leistung das Unternehmen benötigt. Auf diese Weise kann die Leistung der zu installierenden Windkraftanlage bestimmt werden. Die vom Rotor geforderte Leistung muss entsprechend der installierten Leistung des Unternehmens bestimmt werden. Dabei ist auch die Energiemenge zu berücksichtigen, die das Unternehmen in Zukunft benötigen wird (Yavuzcan, 1978).
Gesamtleistung der Zentrale (Yavuzcan, 1978):
Die maximal verbrauchte Leistung ist hier (Yavuzcan, 1978);
Die Lichtleistung des Unternehmens ist (Yavuzcan, 1978);
PRINZIPIEN DER AUSLEGUNG VON ROTOREN
Berechnungen über die Auslegung von Testflügeln: Bestimmung des spezifischen Gewichtes der Luft: Die Lufttemperaturwerte im Windkanal während des Betriebs der Versuchsflügel sind zu messen. Und es kann mit der folgenden Gleichung berechnet werden. So wird dieser Wert die atmosphärische Dichte bestimmen (Vardar, 2002).
Bestimmen der Fläche des Rotorquerschnitts: Die Querschnittsfläche des Rotors ist ein stetiger Wert und abhängig vom Durchmesser des Rotors. Bei der Berechnung der Querschnittsfläche des Rotors wird die folgende Gleichung verwendet.
Berechnung der theoretischen Leistung des Windes, der zum Rotor geht: Der Wind hat aufgrund seiner Geschwindigkeit eine kinetische Energie. Aufgrund der kinetischen Energie ergibt sich hier eine Leistung. Und diese Leistung ist die maximale Leistung die vom Wind kommt und nutzbar ist. Diese maximale Leistung kann mit folgender Gleichung berechnet werden (Klug, 2001).
Bestimmung des elektrischen Leistungswertes am Elektromotor: Durch die Windgeschwindigkeit wird sich der Rotor drehen. Und deshalb wird in dem Elektromotor Strom und Spannung herauskommen. Den Wert dieses Stroms und der Spannung kann man mit den Schaltungsanalysatoren messen. Und diese beiden Werte schreibt man in die folgende Gleichung ein, in der man die elektrische Leistung erhält (Erna, 1977).
Bestimmung der Blattspitzengeschwindigkeit: Das Spitzendrehzahlverhältnis steht im Zusammenhang mit der Drehzahl (Vom Punkt im Abstand des r (Radius) vom Mittelpunkt des Rotors ist die Drehzahl) und der Windgeschwindigkeit. Diese Drehzahl kann mit der folgenden Gleichung (Ozdamar und Kavas, 1999) bestimmt werden.
Und das Spitzengeschwindigkeitsverhältnis kann mit der folgenden Gleichung (Ozdamar und Kavas, 1999) berechnet werden.
Berechnung des Leistungskoeffizienten: Die gesamte theoretische Leistung des Windes kann nicht in die praktische Leistung umgewandelt werden (Betz, 1926). Bei der Umwandlung gibt es einige Leistungsverluste. Bei dieser Bedingung muss das Verhältnis der Umwandlung von der theoretischen Windleistung zur Achsenleistung berechnet werden. In den Berechnungen kann die folgende Gleichung verwendet werden (Ozdamar und Kavas, 1999).
In der Tabelle 1 der Wert der Wirbelverluste.
| Tabelle 1: | Werte von CPschmitz nach λ (Ozdamar und Kavas, 1990) |
Der Profilverlust kann mit der folgenden Gleichung berechnet werden (Ozdamar und Kavas, 1999).
Die Gleitzahl lässt sich mit der folgenden Gleichung berechnen (Ozdamar und Kavas, 1999).
Der Wert dieses ε ändert sich in Abhängigkeit vom Schaufelprofil.
Die bei den Versuchen ermittelten Geschwindigkeitswerte lassen sich in folgende Gleichung eintragen (Piggott, 2006).
Wenn die berechneten Re-Werte und das verwendete Profil beachtet werden, kann der optimale CK/CD-Wert und α (Anstellwinkel) ermittelt werden (mit Hilfe der Software Snack 2.0).
Der Spitzenverlust kann mit der folgenden Gleichung berechnet werden (Ozdamar und Kavas, 1999).
Bestimmung der Wellenleistung: Mit den Gl. 18 und 22 kann die theoretische Windleistung und der Leistungskoeffizient bestimmt werden. Diese beiden Werte können in die folgende Gleichung eingesetzt werden, um die praktische Achsleistung der Blattprofile zu bestimmen (Ozdamar und Kavas, 1999).
Berechnungen über reale Blätter: Unter Berücksichtigung der Versuchsergebnisse kann der Leistungswert, der von der Rotorwelle, die an der Windkraftanlage installiert wird, erzielt werden kann, nach folgender Methode berechnet werden.
Bestimmung der Fläche des Rotorquerschnitts: Auch die Querschnittsfläche des Rotors des realen Blattes kann mit der Gleichung 17 (Birnie, 1999) berechnet werden. Die Werte des Rotordurchmessers müssen für den Vergleich der Rotoren nach den Berechnungen gleich sein.
Bestimmung der Wellenleistung des Rotors: Der Wert von Cp, der bei der Rotorwellenleistung verwendet wird, wurde mit der Gl. 22 berechnet. Die Werte der atmosphärischen Dichte und der Windgeschwindigkeit müssen für den Vergleich der Rotoren nach den Berechnungen konstant sein. Die Rotorachsleistung der realen Blätter kann mit der folgenden Gleichung berechnet werden (Klug, 2001).
Anpassung der realen Blätter an die Windanwesenheit der Region: Die hier verwendeten Windgeschwindigkeitswerte sind Werte, die mindestens 6 Monate lang gemessen und beobachtet wurden. Die hier verwendeten Werte der Windgeschwindigkeit sind Werte, die 10 m über dem Boden gemessen wurden. Der hier verwendete Wert des Leistungskoeffizienten ist wichtig. Um die Rotoren am Ende der Berechnungen zu vergleichen, muss die spezifische Dichte der Luft als konstanter Wert angenommen werden.
Berechnung der Querschnittsfläche des Rotors: Die Querschnittsfläche des Rotors bei den realen Blattanpassungen in der Region, kann mit Hilfe der Gl. 17 (Birnie, 1999) berechnet werden.
Bestimmung der Windgeschwindigkeit auf der Höhe der Rotorachse: Die Windgeschwindigkeit in der Rotornabenhöhe kann mit Hilfe der folgenden Gleichung berechnet werden (Klug, 2001).
Berechnung der Wellenleistung des Rotors: Die Leistung in der Achse kann mit Hilfe der Gleichung berechnet werden. 25 (Klug, 2001) berechnet werden.
ZUSAMMENFASSUNGEN
Um den Wirkungsgrad von Windenergieanlagen zu erhöhen, sind die Prinzipien der Rotorplanung für Windenergieanlagen mit horizontaler Achse sehr wichtig. Es ist nicht möglich, den maximalen Wirkungsgrad von einer Windkraftanlage zu erwarten, die ohne Optimierungsprozesse installiert wird.
Wie bei jedem Thema müssen auch bei der Nutzung der Windenergie die Grundwerte auf wissenschaftlichen Daten beruhen, um erfolgreich zu sein. Betrachtet man das Thema unter diesem Gesichtspunkt, so sind bei Windenergieanlagen die Parameter der Rotorauslegung zu nennen. Davon ausgehend können auf der Basis von Ausgangsdaten die am besten geeigneten Anlagen entwickelt werden.
Die grundsätzliche Strategie besteht darin, leistungsstarke und wettbewerbsfähige Anlagen zu realisieren.
Nomenklatur