Principe van rotorontwerp voor windturbines met horizontale as
INLEIDING
De mens gebruikte vuur als de eerste energiesoort, behalve voedsel. De mens leefde alleen van voedsel tot het gebruik van vuur. Bovendien scheidde de mens zich met het gebruik van het vuur van het andere leven. Daarna gebruikte men het hout om het vuur te laten branden en het niet te doven. Zij moesten het werk verdelen met het sociale leven. Daarom gebruikte de mens een nieuwe energiesoort. De nieuwe energiesoort was een andere mens. Door het nomadische leven moest men van de ene plaats naar de andere trekken. Het resultaat van nomadisch leven was dat dieren werden gebruikt voor transport. Een andere energiesoort die door mensen wordt gebruikt, is waterkracht. Dit werd gebruikt door de mens aan het einde van het nomadische leven. En de mens heeft de wind gebruikt voor zeilboten en in de 12e eeuw (D.C.) met windmolens. Na 16. Eeuw steeg vooral het energieverbruik door de productie van steenkool. Aardolie werd gebruikt in 19 Eeuw. Tijdperk van de industrie begon met aardolie en grote menselijke gemeente beïnvloed. Daarna ontdekte de mens de kernenergie (Inan, 1995).
Einde van de 20e Eeuw begon het problemen met het milieu. En dat ons leidde tot schone en hernieuwbare energieën. Deze schone en hernieuwbare energieën zijn zon, geothermische energie, biomassa, waterkracht, wind enz. (Inan, 1995).
Alle energie die het aardoppervlak nodig heeft komt van de zon. Ongeveer 1-2% van die energie wordt omgezet in windenergie (Vindmolleindustrien, 2006). We kunnen dus zeggen dat windenergie zonne-energie is die wordt omgezet in snelheidsenergie (kinetische energie) (Karadeli, 1999). Wind wordt gedefinieerd als de beweging van lucht in de atmosfeer om de onbalans in warmte in evenwicht te brengen die wordt veroorzaakt door de ongelijke opwarming van lucht door de belangrijkste energiebron, de zon (Ozdamar en Colak, 2000).
De belangrijkste krachten in de atmosfeer die wind produceren en zijn snelheid beïnvloeden zijn; drukgradiëntkracht, omleidingskracht, middelpuntvliedende kracht en wrijvingskracht (Yavuzcan, 1974). Druk gradiënt kracht werkt om de lucht te verplaatsen van hoge druk naar lage druk. De omleidingskracht beïnvloedt de lucht op twee manieren: de ene is als omleidingskracht van de aardrotatie voor bewegingen die ontstaan langs breedtecirkels en de tweede is als omleidingskracht van de aardrotatie voor bewegingen van de evenaar naar de polen of in de tegenovergestelde richting. Winden staan in het algemeen onder invloed van een kracht die hen van hun middelpunt wil afleiden omdat zij om een middelpunt krullen. Deze kracht wordt middelpuntvliedende kracht genoemd. De wrijvingskracht probeert de snelheid van de wind te verminderen. Het effect van deze kracht is het grootst in de nabijheid van het aardoppervlak (Yavuzcan, 1994).
Belang van de ROTOR
Rotor is het orgaan dat de kinetische energie van de wind omzet in mechanische energie. Daarom is hij zeer belangrijk voor windturbines. Het is van groot belang dat de rotor en de rotorbladen optimale eigenschappen hebben, omdat deze een direct effect hebben op het rendement van windturbines.
| Fig. 1: | Vermogenscoëfficiënt (Cp) volgens Betz (1926) |
Een stromingsmassa heeft een kinetische energie vanwege de snelheid (Klug, 2001).
De prestatie vloeit voort uit de energie per tijd. Berekenen van de massastroom:
In deze omstandigheden kunnen we het vermogen berekenen met de volgende vergelijking (Klug, 2001);
Het vermogen geeft het theoretische vermogen dat kan worden verkregen uit de kinetische energie die is opgeslagen in de wind als Watt. Dit theoretisch vermogen moet worden omgezet in nuttig vermogen met behulp van de rotor van de turbine. Op dit punt moet rekening worden gehouden met een constante, die wordt beïnvloed door de windsnelheid, de snelheid van de turbine-as en de bladkeuze. Deze constante wordt de ideale vermogensconstante (Cp) genoemd. Bladtype, bladvorm, hellingshoek en snelheid van de bladtip zijn hierbij effectieve factoren. In Fig. 1 het diagram van de ideale vermogenscoëfficiënt. Theoretisch kan de ideale vermogensconstante niet groter zijn dan 0,59. Deze constante wordt Betz-constante genoemd. In de praktijk is deze waarde nog kleiner (Becenen en Eker, 2001). Want in de praktijk treden mechanische verliezen (η) op. Maar de mechanische rendementswaarde kan verwaarloosd worden in de berekeningen, omdat deze dicht bij 1 ligt. Onze vergelijking met deze kennis is hieronder:
Een ding dat hierbij niet vergeten mag worden is dat de luchtdichtheid 1,225 kgm-3 is onder standaard meteorologische omstandigheden (temperatuur: 15°C en luchtdruk: 1013,3 hPa) (Klug, 2001). De veranderingen in luchttemperatuur en luchtdruk zullen de luchtdichtheid veranderen.
| Fig. 2: | Aantal cycli van verschillende constructies gedurende de levensduur (Klug, 2001) |
DE WINDTURBINE ROTOR EN DE ANDERE CONSTRUCTIES
In Fig. 2 het aantal cycli van verschillende constructies gedurende de levensduur.
Commerciële vliegtuigen hebben meer spanning dan de bruggen en de helikopters. Daartegenover staat een lager aantal omwentelingen dan de bruggen en de helikopters. In deze volgorde komen de bruggen na de verkeersvliegtuigen. De helikopters hebben meer stress dan na de bruggen. En de windturbines komen op de laatste plaats. Deze kennis toont ons de windturbines niet zeer veel spanning, hoewel heeft hoger aantal omwentelingen werkt.
INNTENTIE die ROTOR DESIGN
| – | Om lage windsnelheid hoog vermogen te leveren. |
| – | Voer het hoge vermogen aan lage naafhoogte. |
| – | Voer het hoge vermogen in kleine rotordiameters. |
| – | De vermogenscoëfficiënten van de rotor verhogen. |
| – | Optimaal de tip snelheidsverhouding van de rotor produceren. |
ROTOR DESIGN PRINCIPLES
Het bereiken van maximale energieproductie van een windturbine hangt af van verschillende factoren. Dit zijn factoren zoals de hoogte van de windturbine; de oppervlakte van de windturbinebladen en de aërodynamische structuur, de luchtdichtheid en de windsnelheid. De belangrijkste van deze factoren zijn de hoogte van de windturbine en de aërodynamische structuur van het windturbineblad. De hoogte van de windturbine is belangrijk omdat de windsnelheid toeneemt naarmate we ons verder van het aardoppervlak verwijderen (Yavuzcan, 1994; Klug, 2001). De aërodynamische structuur van het windturbineblad is belangrijk, omdat het maximaal 59% van de kinetische energie die de wind heeft, kan omzetten in bruikbare energie (Klug, 2001).
Aërodynamica van de windturbine: Bij de transformatie van windenergie, die wordt gevormd door opwarming van verschillende punten van de atmosfeer door de belangrijkste energiebron zon, naar elektrische energie; windrotor, die de eerste ring in transformatieketen is, kan worden ontworpen volgens Betz of Glaubert-Schmitz met als doel de bestaande windenergie met minimaal verlies over te brengen (Ozdamar en Kavas, 1999).
| Fig. 3: | Aanpassing van de hoeken β (Piggott, 2006) |
| Fig. 4: | Enkele hoeken van bladprofielen (Piggott, 2006) |
Berekent rotatiesnelheid van een bladelement van rotor, dat ligt met afstand r van het rotorcentrum, zoals naar beneden (Ozdamar en Kavas, 1999):
En de tip snelheidsverhouding van rotor kan berekenen met de volgende vergelijking (Ozdamar en Kavas, 1999).
In een bladontwerp moeten de hoeken beta (Fig. 3) worden aangepast, om het koord aan het blad te gebruiken (Piggott, 2006).
Wind die uit tegengestelde richting waait, verzamelt de echte wind om de zichtbare wind te geven die hef- en trekkrachten levert (Piggott, 2006).
Als men een windturbinerotor wil ontwerpen, dan is de aanvalshoek afhankelijk van de zichtbare wind Φ hoek en de bladhoek (Fig. 4).
| Fig. 5: | Dat windvolume dat de bladelementen werkt (Piggott, 2006) |
Bladhoek controleert de aanvalshoek, dus het controleert de hef- en sleephoeveelheid in het blad (Piggott, 2006).
In de praktijk produceren de meeste profielen de beste hef- en sleepcurve wanneer de aanvalshoek 5 graden bedraagt. Als algemeen principe geldt dat wanneer geen gedetailleerde gegevens kunnen worden verkregen, het geven van deze aanvalshoek betekent dat de bladhoek wordt blootgelegd (Piggott, 2006).
Wanneer de bladhoek wordt voorbereid, moet ook de koordbreedte worden voorbereid. Hier is de reden voor; elk bladelement staat onder invloed van een bepaalde wind als een snaar om te kunnen werken. Een koord met straal r is klein nabij het centrum en het wordt groter naarmate het verder van het centrum komt en de hoeveelheid wind in het koord wordt laag gehouden. Het belangrijkste deel van het ding is het deel dat het verst van het middelpunt verwijderd is (fig. 5). Het deel dat het dichtst bij het centrum ligt is minder belangrijk, maar heeft onvermijdelijk een andere vorm (Piggott, 2006).
Volgens Betz vertraagt de wind zijn snelheid in een verhouding van 1/3 in elk deel van het wisgebied van de rotor en deze vertraging wordt gerealiseerd door een duwende kracht die nauw samenhangt met de hefkracht. Uit deze regeling komt de volgende vergelijking (Piggott, 2006).
Voor de berekening van het aantal bladen kan de volgende vergelijking worden gebruikt (Piggott, 2006):
Het koord in het buitenste deel van het blad kan worden berekend met de volgende vergelijking (Piggott, 2006):
Het buitenste deel van het blad is belangrijker voor de beweging van de rotor. Maar het binnenste deel van de bladen moet breder worden ontworpen om de rotatiekracht bij de start te bevorderen (Piggott, 2006).
Windturbine rotorhoogte: Naarmate de windsnelheid zich van het aardoppervlak verwijdert, bevrijdt hij zich van het wrijvingseffect dat door de ruwheid van het aardoppervlak wordt veroorzaakt. Hij beweegt dus vrijer. Naarmate de wind zich verwijdert van obstakels die zijn snelheid afremmen, neemt zijn snelheid toe. Aangenomen wordt dat winden die zich 1000 m boven het aardoppervlak bevinden, namelijk geostrofische winden, niet worden beïnvloed door de ruwheid van het aardoppervlak en door wrijvingsverliezen. In het licht van deze gedachten kunnen we zeggen dat er een verband bestaat tussen windsnelheid en windhoogte. Dit is de reden waarom windturbines zo hoog mogelijk worden gebouwd (Becenen en Eker, 2001).
De windsnelheidswaarden met de hoogte van de rotoras kunnen worden berekend met de volgende vergelijking (Klug, 2001).
De ruwheidscoëfficiënt van waarden in deze vergelijking komt uit de waarneming, de veronderstelling en de ervaring (Klug, 2001).
Windturbine rotor diameter: Naast het bepalen van de turbinehoogte moet ook de diameter van de wind worden bepaald die het rotorblad afslaat. De diameter van de wind die door het rotorblad wordt geveegd heeft een direct effect op het vermogen dat door de turbine zal worden verkregen. De diameter van de rotor bepaalt de oppervlakte van het windgedeelte dat de rotor beslaat (Klug, 2001).
Het windpotentieel op de plaats waar de rotor van de windturbine zal werken: Het windpotentieel op de plaats waar de windturbine zal worden geïnstalleerd, is zeer belangrijk. Daarom is het een van de parameters waarmee rekening moet worden gehouden bij het ontwerp van de rotor. Het windpotentieel op de plaats waar de windturbine zal worden geïnstalleerd, moet gedurende ten minste 6 maanden worden geobserveerd. Het windpotentieel is rechtstreeks van invloed op de efficiëntie van de rotor van de windturbine.
Windsnelheid is de belangrijkste factor voor de energie van de wind. Het vermogen dat uit de wind wordt gehaald, is recht evenredig met de derde macht van de windsnelheid.
| Fig. 6: | Het tegenhouden van de wind tegen dat obstakel (Klug, 2001) |
| Fig. 7: | Verticaal windprofiel |
Bijvoorbeeld, als de windsnelheid 1 m sec-1 is, dan is het vermogen dat zal worden verkregen 13 = 1 W en wanneer de snelheid toeneemt tot 2 m/sec, dan is het vermogen dat zal worden verkregen 23 = 8 W, wanneer de snelheid toeneemt tot 2 m sec-1, dan is het vermogen dat zal worden verkregen 33 = 27 W enzovoort (Vindmolleindustrien, 2006).
Wanneer de windsnelheid zoveel invloed heeft op het vermogen dat uit de windturbine zal worden gehaald, is het windpotentieel op de plaats waar de turbine zal worden gebouwd van groot belang. Het belangrijkste doel is het punt te vinden waar de windsnelheid maximaal is en daar de turbine te plaatsen.
Landstructuur van de plaats waar de rotor van de windturbine zal werken: Er is een relatie tussen windsnelheid en windhoogte. Deze relatie is afhankelijk van een aantal voorwaarden. Deze voorwaarden vloeien voort uit de vorm van het land. Dezelfde voorwaarden zijn niet van toepassing op een vlak landoppervlak en een oppervlak met obstakels. In een vlak landoppervlak neemt de snelheid toe naarmate de hoogte toeneemt, maar dit zal niet het geval zijn in een landoppervlak met obstakels. In een oppervlak met obstakels zal de wind over obstakels moeten klimmen om zijn koers te hervatten en dit zal een pauze in de windsnelheid veroorzaken.
Als de belangrijkste criteria voor het verkrijgen van energie uit wind de windsnelheid is, dan is het zeer belangrijk om de gebieden te vinden waar de windsnelheid hoog is en daar de rotor van de windturbine te installeren. Maar we moeten geen valse veronderstelling maken dat wanneer we de hoogte verhogen we altijd winden zullen vangen die meer energie bevatten (Fig. 6).
De factoren die de windsnelheid beïnvloeden afhankelijk van de hoogte zijn; Von Karman constante, oppervlaktewrijvingssnelheid en ruwheidslengte.
Von Karman constante wordt genomen in verschillende waarden tussen 0 en 4; ruwheidslengte wordt genomen tussen 0 en 5. Een grafiek met betrekking tot deze waarden wordt hieronder gegeven (Fig. 7).
De prestaties die van de rotor van een windturbine worden geëist: Alvorens een windturbine voor een onderneming te kiezen, moeten we eerst bepalen hoeveel elektrisch vermogen onze onderneming nodig heeft. Op deze manier kan het vermogen van de te installeren windturbine worden bepaald. Het vermogen dat van de rotor wordt gevraagd, moet worden bepaald op basis van het geïnstalleerde vermogen van de onderneming. Op dit punt moet ook rekening worden gehouden met de hoeveelheid stroom die het bedrijf in de toekomst nodig zal hebben (Yavuzcan, 1978).
Totaal vermogen van de centrale (Yavuzcan, 1978):
Voor het maximum verbruikt gebruikt vermogen is hier (Yavuzcan, 1978);
Het vermogen van het licht van de onderneming is (Yavuzcan, 1978);
Beginselen van ontworpen rotors
Berekeningen over ontworpen proefbladen: Het bepalen van het soortelijk gewicht van lucht: De waarden van de luchttemperatuur in de windtunnel tijdens het werken van de proefbladen moeten worden gemeten. En het kan berekenen met de volgende vergelijking. Dus, deze waarde zal bepalen de atmosferische dichtheid (Vardar, 2002).
Bepaling oppervlakte van rotor dwarsdoorsnede: Het vlak van doorsnede de rotor is een vaste waarde en het afhankelijk van de diameter van de rotor. Bij de berekening van het vlak van doorsnede de rotor gebruikt de volgende vergelijking.
Berekening van de theoretische macht van de wind die naar rotor gaat: De wind heeft een kinetische energie vanwege zijn snelheid. Door de kinetische energie ontstaat hier een vermogen. En dit vermogen is het maximale vermogen dat uit de wind komt en bruikbaar is. Dit maximale vermogen kan worden berekend met de volgende vergelijking (Klug, 2001).
Bepaling elektrisch vermogen waarde op elektromotor: Door de windsnelheid zal de rotor draaien. En daarom zal er in de elektromotor stroom en spanning uitkomen. De waarde van deze stroom en spanning kan worden gemeten met de circuit analyzers. En deze twee waarde schrijft in de volgende vergelijking, in hier krijgt het elektrische vermogen (Erna, 1977).
Bepalen van bladen tip snelheidsverhouding: Tip speed ratio is relatie met de rotatiesnelheid (Van punt op afstand van de r (radius) van het middelpunt van de rotor is de rotatiesnelheid) en de windsnelheid. Deze rotatiesnelheid kan worden bepaald met de volgende vergelijking (Ozdamar en Kavas, 1999).
En de tip speed ratio kan worden berekend met de volgende vergelijking (Ozdamar en Kavas, 1999).
Berekenen van de vermogenscoëfficiënt: Het volledige theoretische vermogen van de wind kan niet in het praktische vermogen worden omgezet (Betz, 1926). Tijdens de transformatie geven sommige macht verliezen. In deze situatie moet de verhouding van de transformatie van het theoretische windvermogen tot het asvermogen worden berekend. In de berekeningen kan de volgende vergelijking worden gebruikt (Ozdamar en Kavas, 1999).
In de tabel 1 de waarde van vortex verlies.
| Tabel 1: | Waarden van CPschmitz volgens λ (Ozdamar en Kavas, 1990) |
Het profielverlies kan met de volgende vergelijking worden berekend (Ozdamar en Kavas, 1999).
Het glijgetal kan worden berekend met de volgende vergelijking (Ozdamar and Kavas, 1999).
De waarde van deze ε hangt af van het bladprofiel.
De snelheidswaarden verkregen met de experimenten schrijven in de volgende vergelijking (Piggott, 2006).
Als de berekende Re waarden en het gebruikte profiel waarneemt, kan de optimale CK/CD waarde en α (invalshoek) verkrijgen (met behulp van de software Snack 2.0).
Het tipverlies kan worden berekend met de volgende vergelijking (Ozdamar en Kavas, 1999).
Bepaling van het asvermogen: Met de Eq. 18 en 22 kan het theoretische windvermogen en de vermogenscoëfficiënt worden bepaald. Deze twee waard schrijft in de volgende vergelijking, kan het praktische asvermogen van de bladprofielen zetten (Ozdamar en Kavas, 1999).
Berekeningen over echte bladen: Rekening houdend met de resultaten van tests, kan de vermogenswaarde die kan worden verkregen uit rotoras die zal worden geïnstalleerd op windturbine worden berekend met de volgende methode.
Bepaling oppervlakte van rotor doorsnede: Ook het vlak van doorsnede de rotor van het echte blad kan berekenen met de vergelijking 17 (Birnie, 1999). De waarden van de rotordiameter moeten voor vergelijk de rotors na de berekeningen gelijk zijn.
Bepaling asvermogen van rotor: De waarde van Cp, die wordt gebruikt bij de rotor as vermogen, werd berekend de waarde met de Eq. 22. De waarden van de atmosferische dichtheid en de windsnelheid moeten constant zijn om de rotors na de berekeningen te vergelijken. Het vermogen van de rotoras van de echte bladen kan worden berekend met de volgende vergelijking (Klug, 2001).
Aanpassing van echte bladen aan regio’s waar wind aanwezig is: De hier gebruikte windsnelheidswaarden zijn waarden die gedurende ten minste 6 maanden zijn gemeten en waargenomen. De hier gebruikte windsnelheidswaarden zijn waarden die 10 m boven de grond zijn gemeten. De waarde van de vermogenscoëfficiënt die hier wordt gebruikt, is belangrijk. Om de rotors aan het eind van de berekeningen te kunnen vergelijken, moet het soortelijk gewicht van de lucht als constante waarde worden genomen.
Berekening van de oppervlakte van de doorsnede van de rotors: Het vlak van doorsnede de rotor op de echte bladen aanpassingen in de regio, kan berekenen met behulp van de Eq. 17 (Birnie, 1999).
Bepaling van de windsnelheid op de hoogte van de rotoras: De windsnelheid in de hoogte van de rotornaaf kan worden berekend met behulp van de volgende vergelijking (Klug, 2001).
Berekenen van het vermogen van de rotoras: Het vermogen in de as kan worden berekend met behulp van de Eq. 25 (Klug, 2001).
CONCLUSIES
Om het rendement van windturbines te verhogen, zijn principes voor rotorplanning zeer belangrijk voor windturbines met horizontale as. Het is niet mogelijk het maximale rendement te verwachten van een windturbine die wordt geïnstalleerd zonder de optimalisatieprocessen uit te voeren.
Zoals bij elk onderwerp, moeten om succesvol te zijn bij het gebruik van windenergie, de basiswaarden gebaseerd zijn op wetenschappelijke gegevens. Wanneer het onderwerp vanuit dit gezichtspunt wordt bekeken, moeten de parameters voor het rotorontwerp van windturbines naar voren worden gebracht. Van hieruit kunnen de meest geschikte systemen worden ontwikkeld door brongegevens als basis te nemen.
De basisstrategie is om systemen met hoge prestaties in de praktijk te brengen die kunnen concurreren.
Nomenclatuur