A vízszintes tengelyű szélturbinák rotorjának tervezési elve
EVEZETÉS
Az emberek a tüzet használták az első energiafajtaként, kivéve az élelmet. Az emberek a tűz használatáig csak az élelemmel éltek. Ráadásul az emberek a tűz használatával elváltak a többi élőtől. Ezután az ember a fát használta a tűz égetésére, és ez nem oltja ki. A társas életmóddal együtt járt a munkamegosztás. Ezért az emberek újfajta energiát használtak. Az új energiafajta egy másik ember volt. A nomád életmód miatt egyik helyről a másikra kellett költözniük. A nomád élet eredménye az volt, hogy az állatokat használták szállításra. Az emberek által használt másik energiafajta a vízenergia. Ezt az emberek a nomád élet végével használták. Az emberek a szelet a vitorlásokhoz és a 12. században (Kr. u.) a szélmalmokkal használták. A 16. század után. Században különösen megnőtt az energiafogyasztás a széntermelés miatt. A kőolajat a 19. században használták. Az ipar korszaka a petróleummal kezdődött és a nagy emberi önkormányzatot érintette. Ezután az emberek felfedezték az atomenergiát (Inan, 1995).
A 20. század végén kezdődtek a környezeti problémák. És ez vezetett a tiszta és megújuló energiákhoz. Ezek a tiszta és megújuló energiák a napenergia, a geotermikus energia, a biomassza, a vízenergia, a szélenergia stb. (Inan, 1995).
A Föld felszínének minden szükséges energiája a Napból származik. Ennek az energiának körülbelül 1-2%-a alakul át szélenergiává (Vindmolleindustrien, 2006). Így azt mondhatjuk, hogy a szélenergia olyan napenergia, amely sebességenergiává (mozgási energiává) alakul át (Karadeli, 1999). A szelet úgy határozzák meg, mint a levegő mozgását a légkörben, hogy kiegyenlítse a hőegyensúlyhiányt, amelyet a levegőnek a fő energiaforrás, a Nap általi egyenlőtlen felmelegedése okoz (Ozdamar és Colak, 2000).
A légkörben lévő fő erők, amelyek a szelet létrehozzák és a sebességét befolyásolják; nyomásfokozó erő, terelőerő, centrifugális erő és súrlódási erő (Yavuzcan, 1974). A nyomásgradiens erő úgy hat, hogy a levegőt a magas nyomásról az alacsony nyomás felé mozgatja. Az eltérítő erő kétféleképpen hat a levegőre: az egyik a Föld forgásának eltérítő ereje a szélességi körök mentén létrejövő mozgásoknál, a másik pedig a Föld forgásának eltérítő ereje az Egyenlítőtől a sarkok felé vagy az ellenkező irányba történő mozgásoknál. A szelek általában olyan erő hatása alatt állnak, amely el akarja téríteni őket a középpontjukból, mivel egy középpont körül tekerednek. Ezt az erőt centrifugális erőnek nevezzük. A súrlódási erő a szél sebességét igyekszik csökkenteni. Ennek az erőnek a hatása akkor a legnagyobb, amikor a földfelszín közelében van (Yavuzcan, 1994).
A ROTOR HATÁSA
A motor az a szerv, amely a szél mozgási energiáját mechanikai energiává alakítja. Emiatt nagyon fontos a szélturbinák számára. Nagyon fontos, hogy a rotor és a rotorlapátok optimális tulajdonságokkal rendelkezzenek, mert ezek közvetlenül befolyásolják a szélturbinák hatékonyságát.
| Ábr. 1: | Teljesítmény együttható (Cp) Betz (1926) |
Az áramló tömegnek a sebessége miatt mozgási energiája van (Klug, 2001).
A teljesítmény az időre jutó energiából származik. A tömegáram számításai:
Ezekkel a feltételekkel a teljesítményt a következő egyenlet segítségével tudjuk kiszámítani (Klug, 2001);
A teljesítménytőke azt az elméleti teljesítményt adja, amely a szélben tárolt mozgási energiából Wattban kifejezve nyerhető. Ezt az elméleti teljesítményt kell átalakítani hasznos teljesítményre a turbina rotorjának segítségével. Ezen a ponton egy állandót kell figyelembe venni, amelyet a szélsebesség, a turbina tengelysebessége és a lapátok kiválasztása befolyásol. Ezt az állandót ideális teljesítményállandónak (Cp) nevezzük. A lapátok típusa, formája, dőlésszöge és a lapátok csúcsának sebessége itt hatékony tényezők. Az 1. ábrán az ideális teljesítménykonstans diagramja látható. Az ideális teljesítményállandó elméletileg nem haladhatja meg a 0,59-et. Ezt az állandót Betz-állandónak nevezik. A gyakorlatban ez az érték még ennél is kisebb (Becenen és Eker, 2001). A gyakorlatban ugyanis mechanikai veszteségek (η) lépnek érvénybe. De a mechanikai hatásfok értéke elhanyagolható a számításokban, mert közel van az 1-hez. Az egyenletünk ennek ismeretében az alábbi:
Egy dolgot nem szabad itt elfelejteni, hogy a levegő sűrűsége 1,225 kgm-3 normál meteorológiai körülmények között (hőmérséklet: 15°C és légnyomás: 1013,3 hPa) (Klug, 2001). A levegő hőmérsékletének és a légnyomásnak a változása megváltoztatja a levegő sűrűségét.
| 2. ábra: | A különböző szerkezetek ciklusainak száma az élettartam alatt (Klug, 2001) |
A SZELES TURBIN ROTOR ÉS AZ EGYÉB KONSZTRUKTÚRA
Az 2. ábra. 2 a különböző szerkezetek ciklusainak száma az élettartam alatt.
A kereskedelmi repülőgépek nagyobb igénybevételnek vannak kitéve, mint a hidak és a helikopterek. Ezzel szemben alacsonyabb a fordulatszámuk, mint a hidaknak és a helikoptereknek. Ebben a sorrendben a hidak a kereskedelmi repülőgépek után következnek. A helikoptereknek nagyobb a feszültségük, mint a hidak után. A szélturbinák pedig az utolsó sorrendben következnek. Ez a tudás megmutatja nekünk, hogy a szélturbinák nem túl sok stressz, bár nagyobb fordulatszámmal működik.
TUDOMÁNY, HOGY ROTOR TERVEZÉS
| – | Az alacsony szélsebességhez nagy áramellátás. |
| – | A nagy teljesítményt alacsony orsómagassághoz. |
| – | A nagy teljesítményt kis rotorátmérőjű rotorhoz. |
| – | A rotor teljesítmény együtthatóinak növelése. |
| – | A rotor csúcssebesség arányának optimalizálása. |
ROTORTERVEZÉSI ELVEK
A szélturbina maximális energiatermelésének elérése több tényezőtől függ. Ezek olyan tényezők, mint a szélturbina magassága; a szélturbina lapátjainak pásztázási területe és aerodinamikai szerkezete, a levegő sűrűsége és a szélsebesség. E tényezők közül a legfontosabbak a szélturbina magassága és a szélturbina lapátjának aerodinamikai szerkezete. A szélturbina magassága azért fontos, mert a szélsebesség a földfelszíntől távolodva nő (Yavuzcan, 1994; Klug, 2001). A szélturbina lapátjának aerodinamikai szerkezete azért fontos, mert a szél mozgási energiájának legfeljebb 59%-át képes hasznos energiává alakítani (Klug, 2001).
A szélturbina aerodinamikája: A fő energiaforrás, a Nap által a légkör különböző pontjainak felmelegedésével képződő szélenergia elektromos energiává történő átalakításában; a szélrotor, amely az átalakítási lánc első gyűrűje, Betz vagy Glaubert-Schmitz szerint tervezhető a meglévő szélenergia minimális veszteséggel történő továbbítása céljából (Ozdamar és Kavas, 1999).
| Fig. 3: | A β szögek beállítása (Piggott, 2006) |
| Fig. 4: | A lapátprofilok néhány szöge (Piggott, 2006) |
A rotor egy lapátelemének forgási sebességét számítja, amely a rotor középpontjától r távolságra fekszik, mint lefelé (Ozdamar és Kavas, 1999):
A rotor csúcsfordulatszám-arányát pedig a következő egyenlet segítségével lehet kiszámítani (Ozdamar és Kavas, 1999).
A lapát kialakításánál be kell állítani a béta szögeket (3. ábra), hogy a lapátnál lévő zsinórt ki lehessen használni (Piggott, 2006).
Az ellenkező irányból fújó szél összegyűjti a valódi szelet, hogy a látható szelet adja, amely emelő- és húzóerőt biztosít (Piggott, 2006).
Ha egy szélturbina rotorját akarjuk megtervezni, akkor a támadási szög a látható szelek Φ szögétől és a lapát szögétől függ (ábra. 4).
| 5. ábra: | Az a szélmennyiség, ami a lapátelemeket működteti (Piggott, 2006) |
A lapátszög szabályozza a támadási szöget, így szabályozza a lapátban az emelés és a húzás mértékét (Piggott, 2006).
A gyakorlatban a legtöbb profil akkor produkálja a legjobb emelési/húzási görbét, ha a támadási szög 5 fok. Általános elvként, ha részletes adatok nem állnak rendelkezésre, ennek a támadási szögnek a megadása a penge szögének kitételét jelenti (Piggott, 2006).
Amikor a penge szögét készítik, a zsinórszélességet is elő kell készíteni. Itt van ennek az oka; minden lapátelem egy bizonyos szél, mint zsinór hatása alatt áll, hogy működni tudjon. Egy r sugarú húr a középpont közelében kicsi, és a középponttól távolodva egyre nagyobb lesz, és a húrban lévő szélmennyiséget alacsonyan kell tartani. A dolog legfontosabb része a középponttól legtávolabb lévő lapátok (5. ábra). A középponthoz legközelebbi rész kevésbé fontos, de elkerülhetetlenül más formában van (Piggott, 2006).
Betz szerint a szél a rotorok pásztázási területének minden részén 1/3 arányban lassítja a sebességét, és ez a lassítás tolóerővel valósul meg, amely szorosan összefügg az emelőerővel. Ebből a szabályozásból a következő egyenlet következik (Piggott, 2006).
A lapátszám kiszámításához a következő egyenletet használhatjuk (Piggott, 2006):
A lapát külső részén lévő zsinór a következő egyenlet segítségével számítható ki (Piggott, 2006):
A lapátok külső része fontosabb a rotor mozgása szempontjából. De a lapátok belső részét szélesebbre kell tervezni, hogy segítse a forgási teljesítményt az induláskor (Piggott, 2006).
Szélturbina rotor magassága: Ahogy a szél sebessége távolodik a földfelszíntől, úgy szabadul meg a földfelszín érdessége által okozott súrlódási hatástól. Így szabadabban mozog. Ahogy távolodik a sebességét lassító akadályoktól, úgy nő a sebessége. Feltételezzük, hogy az 1000 méterrel a földfelszín felett lévő szeleket, azaz a geostrofikus szeleket nem befolyásolja a földfelszín érdessége és a súrlódási veszteségek. E gondolatok fényében elmondhatjuk, hogy a szélsebesség és a szélmagasság között összefüggés van. Ez az oka annak, hogy a szélturbinákat a lehető legmagasabbra építik (Becenen és Eker, 2001).
A szélsebesség értékeit a rotor tengelymagasságával a következő egyenlet segítségével lehet kiszámítani (Klug, 2001).
A durvasági együttható értékei ebbe az egyenletbe a megfigyelésből, a feltételezésből és a tapasztalatból származnak (Klug, 2001).
A szélturbina rotorátmérője: A turbina magasságának meghatározása mellett meg kell határozni a szél átmérőjét is, amelyet a rotorlapát pásztáz. A szél átmérője, amelyet a rotorlapát pásztáz, közvetlen hatással van a turbinából nyerhető teljesítményre. A rotorunk átmérője határozza meg a szélszakasz területét, amelyet a rotor söpröget (Klug, 2001).
A szélpotenciál, amelyben a szélturbina rotorja működni fog: Nagyon fontos a szélpotenciál ott, ahol a szélturbinát telepíteni fogják. Ezért ez az egyik olyan paraméter, amelyet a rotor tervezésénél figyelembe kell venni. A szélsebesség-potenciált a szélturbina telepítési helyén legalább 6 hónapig meg kell figyelni. A szél potenciálja közvetlenül befolyásolja a szélturbina rotorjának hatékonyságát.
A szélsebesség a legfontosabb tényező a szél energiájával kapcsolatban. A szélből nyerhető teljesítmény egyenesen arányos a szélsebesség harmadik teljesítményével.
| Ábr. 6: | A szél visszatartása ezzel az akadállyal szemben (Klug, 2001) |
| Ábra. 7: | Függőleges szélprofil |
Például, durván szólva, ha a szél sebessége 1 m sec-1, akkor a nyerhető teljesítmény 13 = 1 W, ha a sebesség 2 m/sec-re nő, akkor a nyerhető teljesítmény 23 = 8 W, ha a sebesség 2 m sec-1-re nő, akkor a nyerhető teljesítmény 33 = 27 W és így tovább (Vindmolleindustrien, 2006).
Ha a szélsebességnek ekkora hatása van a szélturbinából nyerhető teljesítményre, akkor nagyon fontos a szélpotenciál azon a helyen, ahol a turbina épül. A fő cél az, hogy megtaláljuk azt a pontot, ahol a szélsebesség maximális, és oda telepítsük a turbinát.
Az a hely, ahol a szélturbina rotorja működni fog, földszerkezete: A szélsebesség és a szélmagasság között összefüggés van. Ez az összefüggés bizonyos feltételektől függ. Ezek a feltételek a földformákból erednek. Ugyanazok a feltételek nem érvényesek egy sík és egy akadályokkal teli földfelületen. Egy sík felszínen a magasság növekedésével egyenes arányban nő a sebesség is, de ez nem igaz egy akadályokkal teli felszínen. Egy akadályokkal teli felszínen a szélnek át kell másznia az akadályokon, hogy folytassa útját, és ez szünetet okoz a szélsebességben.
Ha a szélből származó energia kinyerésének legfontosabb kritériuma a szélsebesség, akkor nagyon fontos megtalálni azokat a területeket, ahol a szélsebesség magas, és oda telepíteni a szélturbina rotorját. De nem kell azt a téves feltételezést tennünk, hogy ha növeljük a magasságot, mindig olyan szelet fogunk kifogni, amely több energiát tartalmaz (6. ábra).
A tényezők, amelyek a szélsebességet a magasságtól függően befolyásolják, a következők; Von Karman-állandó, felületi súrlódási sebesség és érdességi hossz.
A Von Karman-állandó különböző értékeket vesz fel 0 és 4 között; az érdességi hossz 0 és 5 között. Ezekre az értékekre vonatkozó grafikon az alábbiakban látható (7. ábra).
A szélturbina rotorjától elvárt teljesítmény: Mielőtt kiválasztanánk egy szélturbinát egy vállalkozás számára, először meg kell határoznunk, hogy vállalkozásunknak mekkora elektromos teljesítményre van szüksége. Így meghatározható a telepítendő szélturbina teljesítménye. A rotor által megkövetelt teljesítményt a vállalkozás által telepített teljesítménynek megfelelően kell meghatározni. Ezen a ponton azt a teljesítménymennyiséget is figyelembe kell venni, amelyre a vállalkozásnak a jövőben szüksége lesz (Yavuzcan, 1978).
A központi teljes teljesítménye (Yavuzcan, 1978):
A maximálisan felhasznált fogyasztási teljesítmény itt van (Yavuzcan, 1978);
A vállalkozás fényereje (Yavuzcan, 1978);
TERVEZETT ROTOROK ALAPELVEI
Kiszámítások a tervezett próbapengékről: A levegő fajsúlyának meghatározása: A szélcsatornában a kísérleti lapátok működése közben a levegő hőmérsékletének értékeit kell mérni. És a következő egyenlet segítségével kiszámítható. Így ez az érték meghatározza a légköri sűrűséget (Vardar, 2002).
A rotor keresztmetszetének területének meghatározása: A rotor keresztmetszetének síkja egy állandó értékű és a rotor átmérőjétől függő. A rotor keresztmetszeti síkjának kiszámításánál a következő egyenletet használjuk.
A rotorra jutó szél elméleti teljesítményének kiszámítása: A szélnek a sebessége miatt mozgási energiája van. A mozgási energia miatt itt ad egy teljesítményt. És ez a teljesítmény a maximális teljesítmény, ami a szélből jön és felhasználható. Ezt a maximális teljesítményt a következő egyenlet segítségével lehet kiszámítani (Klug, 2001):
A villamos teljesítmény értékének meghatározása az elektromos motoron: A szélsebesség miatt a rotor forogni fog. És ezért a villanymotorba áram és feszültség fog kijönni. Ennek az áramnak és feszültségnek az értéke az áramköri analizátorokkal mérhető. És ezt a két értéket írja be a következő egyenletbe, itt kapja meg az elektromos teljesítményt (Erna, 1977).
A lapátok csúcssebesség arányának meghatározása: A csúcssebesség-arány a forgási sebességgel (A pont távolsága r (sugár) a rotor középpontjától a forgási sebesség) és a szélsebességgel áll kapcsolatban. Ez a forgási sebesség a következő egyenlet segítségével határozható meg (Ozdamar és Kavas, 1999):
A csúcssebesség arány pedig a következő egyenlet segítségével számítható ki (Ozdamar és Kavas, 1999):
A teljesítmény együttható kiszámítása: A szél teljes elméleti teljesítménye nem alakulhat át a gyakorlati teljesítményre (Betz, 1926). Az átalakulás során ad némi teljesítményveszteséget. Ennél a feltételnél ki kell számítani az elméleti szélteljesítményből a tengelyteljesítménybe való átalakulás összefüggését. A számítások során a következő egyenletet használhatjuk (Ozdamar és Kavas, 1999):
Az 1. táblázatban az örvényveszteség értéke.
| 1. táblázat: | CPschmitz értékei λ szerint (Ozdamar és Kavas, 1990) |
A profilveszteséget a következő egyenlet segítségével lehet kiszámítani (Ozdamar és Kavas, 1999).
A csúszásszám a következő egyenlet segítségével számítható ki (Ozdamar és Kavas, 1999).
Ez ε értéke a lapátprofil függvényében változik.
A kísérletekkel kapott sebességértékeket a következő egyenletbe írjuk be (Piggott, 2006).
Ha a kiszámított Re értékeket és az alkalmazott profilt megfigyeljük, megkaphatjuk az optimális CK/CD értéket és α (támadási szög) értéket (a Snack 2 szoftver segítségével.0).
A csúcsveszteséget a következő egyenlet segítségével lehet kiszámítani (Ozdamar és Kavas, 1999).
A tengelyteljesítmény meghatározása: A 18. és 22. egyenlet segítségével meghatározható az elméleti szélteljesítmény és a teljesítménytényező. Ezt a kettőt érdemes beírni a következő egyenletbe, lehet a lapátprofilok gyakorlati tengelyteljesítményét feltenni (Ozdamar és Kavas, 1999).
Kiszámítások a valós lapátokról: A vizsgálatok eredményeit figyelembe véve a szélturbinára felszerelendő rotortengelyen elérhető teljesítményérték a következő módszerrel számítható ki.
A rotor keresztmetszetének területének meghatározása: A valós lapát rotor keresztmetszetének síkja is kiszámítható a 17. egyenlet segítségével (Birnie, 1999). A rotor átmérőjének értékeinek a számítások után azonosnak kell lennie a rotorok összehasonlításához.
A rotor tengelyteljesítményének meghatározása: A Cp értékét, amelyet a rotor tengelyteljesítményénél használnak, a 22. egyenlet segítségével számították ki. A számítások után a rotorok összehasonlításához a légköri sűrűség és a szélsebesség értékeinek állandónak kell lenniük. A valós lapátok rotortengelyteljesítménye a következő egyenlet segítségével számítható (Klug, 2001):
A valós lapátok hozzáigazítása a régiók széljelenlétéhez: Az itt használt szélsebesség értékek olyan értékek, amelyeket legalább 6 hónapig mértek és megfigyeltek. Az itt használt szélsebesség értékek 10 m magasságban mért értékek. Az itt használt teljesítménytényező értéke fontos. A rotorok összehasonlításához a számítások végén a levegő fajsúlyának értékét állandó értéknek kell tekinteni.
A rotorok keresztmetszetének területének kiszámítása: A rotor keresztmetszetének síkja a valós lapátok alkalmazkodásánál a régióba, kiszámítható a 17. egyenlet segítségével (Birnie, 1999).
A szélsebesség meghatározása a rotor tengelyének magasságában: A szélsebesség a rotor tengelymagasságában a következő egyenlet segítségével számítható ki (Klug, 2001).
A rotortengely teljesítményének kiszámítása: A tengelyben lévő teljesítmény a következő egyenlet segítségével számítható ki. 25 (Klug, 2001).
Összefoglalás
A szélturbinák hatékonyságának növelése érdekében a vízszintes tengelyű szélturbinák esetében nagyon fontosak a rotor tervezési elvei. Az optimálási folyamatok elvégzése nélkül nem lehet a maximális hatásfokot elvárni a telepített szélturbinától.
Mint minden témában, a szélenergia hasznosítása során a siker érdekében az alapértékeknek tudományos adatokon kell alapulniuk. Ha a témát ebből a szempontból vizsgáljuk, akkor a szélturbináknál a rotor tervezési paramétereit kell előtérbe helyezni. Innen kiindulva, a forrásadatokat alapul véve lehet a legmegfelelőbb rendszereket kifejleszteni.
Az alapvető stratégia a nagy teljesítményű, versenyképes rendszerek gyakorlati megvalósítása.
Nómenklatúra