Principle of Rotor Design for Horizontal Axis Wind Turbines
INTRODUCTION
Ludzie używali ognia jako pierwszego rodzaju energii, z wyjątkiem żywności. Ludzie żyli tylko z jedzeniem, dopóki nie użyli ognia. Ponadto, ludzie oddzielali się od innych żywych za pomocą ognia. Potem używali drewna, aby ogień się palił i nie gasł. Mieli do podziału pracy z życia społecznego. Dlatego ludzie używali nowego rodzaju energii. Tym nowym rodzajem energii byli inni ludzie. Z powodu koczowniczego trybu życia musieli przenosić się z jednego miejsca na drugie. Rezultatem koczowniczego życia było używanie zwierząt do transportu. Innym rodzajem energii używanym przez ludzi jest energia wodna. To było używane z końcem życia nomadycznego przez ludzi. I ludzie używali wiatru do żeglowania łodzi i w 12 wieku (D.C.) z wiatrakiem. Po 16. Century wzrosła szczególnie zużycie energii z powodu produkcji węgla. Ropa naftowa została użyta w 19 wieku. Wieki przemysłu rozpoczął się z ropy naftowej i dużych ludzi gminy dotknięte. Po tym ludzie odkryli energii jądrowej (Inan, 1995).
Koniec 20 wieku rozpoczął problemy z ochroną środowiska. I to doprowadziło nas do czystych i odnawialnych źródeł energii. Ta czysta i odnawialna energia to słońce, energia geotermalna, biomasa, energia wodna, wiatr itp. (Inan, 1995).
Cała energia, której potrzebuje powierzchnia Ziemi pochodzi ze Słońca. Około 1-2% tej energii jest przekształcane w energię wiatru (Vindmolleindustrien, 2006). Można więc powiedzieć, że energia wiatru jest energią słoneczną, która jest przekształcana w energię prędkości (energię kinetyczną) (Karadeli, 1999). Wiatr jest definiowany jako ruch powietrza w atmosferze w celu zrównoważenia nierównowagi cieplnej, która jest spowodowana nierównomiernym ogrzewaniem powietrza przez główne źródło energii, Słońce (Ozdamar i Colak, 2000). Główne siły w atmosferze, które wytwarzają wiatr i wpływają na jego prędkość to: siła gradientu ciśnienia, siła rozproszenia, siła odśrodkowa i siła tarcia (Yavuzcan, 1974). Siła gradientu ciśnienia działa w celu przemieszczania powietrza z wysokiego ciśnienia do niskiego. Siła odchylająca wpływa na powietrze na dwa sposoby: jeden to siła odchylająca rotacji Ziemi dla ruchów, które powstają wzdłuż kół szerokości geograficznej, a drugi to siła odchylająca rotacji Ziemi dla ruchów od równika do biegunów lub w przeciwnym kierunku. Wiatry, ogólnie rzecz biorąc, są pod wpływem siły, która chce je odwrócić od ich centrum, ponieważ zawijają się one wokół centrum. Ta siła jest nazywana siłą odśrodkową. Siła tarcia stara się zmniejszyć prędkość wiatru. Efekt działania tej siły jest największy, gdy wiatr znajduje się blisko powierzchni Ziemi (Yavuzcan, 1994).
ZNACZENIE ROTORA
Rotor jest organem, który przekształca energię kinetyczną wiatru w energię mechaniczną. Z tego powodu jest on bardzo ważny dla turbin wiatrowych. Bardzo ważne jest, aby wirnik i łopaty wirnika miały optymalne cechy, ponieważ mają one bezpośredni wpływ na wydajność turbin wiatrowych.
| Fig. 1: | Współczynnik mocy (Cp) wg Betza (1926) |
Przepływająca masa ma energię kinetyczną ze względu na swoją prędkość (Klug, 2001).
Osiągnięcie wynika z energii przypadającej na czas. Oblicza się przepływ masy:
W tych warunkach możemy obliczyć moc za pomocą następującego równania (Klug, 2001);
Wartość mocy daje teoretyczną moc, która może być uzyskana z energii kinetycznej, która jest przechowywana w wietrze jako Wat. Ta teoretyczna moc musi zostać przekształcona w moc użyteczną za pomocą wirnika turbiny. W tym momencie należy wziąć pod uwagę stałą, na którą wpływa prędkość wiatru, prędkość obrotowa wału turbiny oraz wybór łopat. Stała ta nazywana jest stałą mocy idealnej (Cp). Typ łopaty, kształt łopaty, kąt nachylenia i prędkość obrotowa końcówki łopaty są tu czynnikami istotnymi. Na Rys. 1 przedstawiono wykres idealnej stałej mocy. Teoretycznie idealna stała mocy nie może przekraczać 0,59. Stała ta nazywana jest stałą Betza. W praktyce wartość ta jest jeszcze mniejsza (Becenen i Eker, 2001). Ponieważ w praktyce pojawiają się straty mechaniczne (η). Jednak wartość sprawności mechanicznej można pominąć w obliczeniach, ponieważ jest ona bliska 1. Nasze równanie z tą wiedzą wygląda następująco:
Jedną rzeczą, o której nie wolno tu zapominać jest to, że gęstość powietrza wynosi 1,225 kgm-3 w standardowych warunkach meteorologicznych (temperatura: 15°C i ciśnienie powietrza: 1013,3 hPa) (Klug, 2001). Zmiany temperatury i ciśnienia powietrza powodują zmianę gęstości powietrza.
| Rys. 2: | Liczba cykli różnych konstrukcji w okresie eksploatacji (Klug, 2001) |
WIRNIK TURBINY WIATROWEJ I INNE KONSTRUKCJE
Na rys. 2 liczba cykli różnych konstrukcji w okresie eksploatacji.
Samoloty komercyjne mają większe naprężenia niż mosty i śmigłowce. Przeciwnie jest z mniejszą liczbą obrotów niż mosty i śmigłowce. W tej sekwencji, mosty przychodzą po od samolotów handlowych. Helikoptery mają większe naprężenia niż po mostach. Turbiny wiatrowe znajdują się na ostatnim miejscu. Ta wiedza pokazuje nam turbiny wiatrowe nie bardzo dużo stresu, choć ma większą liczbę obrotów działa.
Wskazówka, że ROTOR DESIGN
| – | Do niskiej prędkości wiatru wysokiej mocy zasilania. |
| – | Dostarczanie dużej mocy przy małej wysokości piasty. |
| – | Dostarczanie dużej mocy przy małych średnicach wirnika. |
| – | Współczynniki mocy wirnika zwiększają się. |
| – | Optymalny współczynnik prędkości wierzchołkowej wirnika wytwarza. |
Zasady projektowania wirników
Uzyskanie maksymalnej produkcji energii z turbiny wiatrowej zależy od różnych czynników. Są to czynniki takie jak wysokość turbiny wiatrowej, powierzchnia natarcia łopat turbiny wiatrowej, struktura aerodynamiczna, gęstość powietrza oraz prędkość wiatru. Najważniejszymi z tych czynników są wysokość turbiny wiatrowej oraz struktura aerodynamiczna łopaty turbiny wiatrowej. Wysokość turbiny wiatrowej jest istotna, ponieważ prędkość wiatru rośnie wraz z oddalaniem się od powierzchni ziemi (Yavuzcan, 1994; Klug, 2001). Struktura aerodynamiczna łopaty turbiny wiatrowej jest istotna, ponieważ może ona przekształcić maksymalnie 59% energii kinetycznej wiatru w energię użyteczną (Klug, 2001).
Aerodynamika silnika turbiny wiatrowej: W transformacji energii wiatru, która powstaje w wyniku ogrzewania różnych punktów atmosfery przez główne źródło energii – słońce, na energię elektryczną; wirnik wiatrowy, który jest pierwszym pierścieniem w łańcuchu transformacji, może być zaprojektowany według Betza lub Glauberta-Schmitza w celu przeniesienia istniejącej mocy wiatru z minimalnymi stratami (Ozdamar i Kavas, 1999).
| Fig. 3: | Dopasowanie kątów β (Piggott, 2006) |
| Rys. 4: | Niektóre kąty profili blach (Piggott, 2006) |
Oblicza prędkość obrotową elementu łopat wirnika, który leży w odległości r od środka wirnika, jak w dół (Ozdamar i Kavas, 1999):
A współczynnik prędkości końcówki wirnika można obliczyć za pomocą następującego równania (Ozdamar i Kavas, 1999).
W projekcie łopaty należy dostosować kąty beta (Rys. 3), aby wykorzystać sznur na łopatce (Piggott, 2006).
Wiatr wiejący z przeciwnego kierunku, gromadzi wiatr rzeczywisty w celu uzyskania widzialnego wiatru, który zapewnia siły nośne i oporowe (Piggott, 2006).
Jeśli chce się zaprojektować wirnik turbiny wiatrowej, to kąt natarcia zależy od widzialnych wiatrów Φ i kąta łopaty (Rys. 4). Rys. 5:
Kąt łopaty kontroluje kąt natarcia, a więc kontroluje ilość podnoszonych i wleczonych elementów łopaty (Piggott, 2006).
W praktyce, większość profili wytwarza najlepszą krzywą podnoszenia/opuszczania, gdy kąt natarcia wynosi 5 stopni. Jako ogólną zasadę, gdy nie można uzyskać szczegółowych danych, podanie tego kąta natarcia oznacza odsłonięcie kąta ostrza (Piggott, 2006).
Gdy przygotowywany jest kąt ostrza, musi być również przygotowana szerokość sznura. Wynika to z tego, że każdy element łopatki, aby mógł pracować, jest poddany działaniu pewnego wiatru jako sznurek. Sznurek o promieniu r jest mały w pobliżu środka i staje się większy w miarę oddalania się od środka, a ilość wiatru w sznurku jest utrzymywana na niskim poziomie. Najważniejszą częścią rzeczy są ostrza znajdujące się najdalej od środka (Rys. 5). Część znajdująca się najbliżej środka jest mniej istotna, ale siłą rzeczy ma inną postać (Piggott, 2006).
Według Betza wiatr wyhamowuje swoją prędkość w stosunku 1/3 w każdej części powierzchni omiatania wirników, a wyhamowanie to realizowane jest przez siłę pchającą, która jest ściśle związana z siłą nośną. Z tej regulacji wynika następujące równanie (Piggott, 2006).
Obliczając liczbę łopat można skorzystać z następującego równania (Piggott, 2006):
Kord w zewnętrznej części łopatki można obliczyć za pomocą następującego równania (Piggott, 2006):
Zewnętrzna część łopatki jest ważniejsza dla ruchu wirnika. Jednak wewnętrzna część łopaty musi być szersza, aby pomóc w zwiększeniu mocy obrotowej na początku (Piggott, 2006).
Wysokość wirnika turbiny wiatrowej: W miarę jak prędkość wiatru oddala się od powierzchni ziemi, uwalnia się on od efektu tarcia spowodowanego chropowatością powierzchni ziemi. Stąd porusza się on bardziej swobodnie. W miarę oddalania się od przeszkód spowalniających jego prędkość, jego prędkość wzrasta. Przyjmuje się, że wiatry, które znajdują się 1000 m nad powierzchnią Ziemi, czyli wiatry geostroficzne, nie są dotknięte szorstkością powierzchni Ziemi i stratami tarcia. W świetle tych rozważań można stwierdzić, że istnieje zależność pomiędzy prędkością wiatru a wysokością wiatru. Jest to powód, dla którego turbiny wiatrowe są budowane tak wysoko, jak to tylko możliwe (Becenen i Eker, 2001).
Wartości prędkości wiatru wraz z wysokością osi wirnika można obliczyć za pomocą następującego równania (Klug, 2001).
Współczynnik szorstkości wartości do tego równania pochodzi z obserwacji, założeń i doświadczenia (Klug, 2001).
Średnica wirnika turbiny wiatrowej: Oprócz określenia wysokości turbiny, należy określić średnicę wiatru, który omiata łopaty wirnika. Średnica wiatru, który omiata łopaty wirnika ma bezpośredni wpływ na moc, jaką uzyskamy z turbiny. Średnica naszego wirnika określi obszar przekroju wiatru, który omiata wirnik (Klug, 2001).
Potencjał wiatru w miejscu, w którym będzie pracował wirnik turbiny wiatrowej: Potencjał wiatru w miejscu, w którym będzie zainstalowana turbina wiatrowa jest bardzo ważny. Z tego powodu jest on jednym z parametrów, które muszą być brane pod uwagę przy projektowaniu wirnika. Potencjał prędkości wiatru w miejscu zainstalowania turbiny wiatrowej musi być obserwowany co najmniej przez okres 6 miesięcy. Potencjał wiatru ma bezpośredni wpływ na wydajność wirnika turbiny wiatrowej.
Prędkość wiatru jest najważniejszym czynnikiem dotyczącym energii wiatru. Moc, która zostanie uzyskana z wiatru jest wprost proporcjonalna do trzeciej potęgi prędkości wiatru.
| Fig. 6: | Powstrzymywanie wiatru przed tą przeszkodą (Klug, 2001) |
| Fig. 7: | Pionowy profil wiatru |
Na przykład, w przybliżeniu, jeśli prędkość wiatru wynosi 1 m sek-1, to moc, która zostanie uzyskana, wynosi 13 = 1 W, a gdy prędkość wzrośnie do 2 m/s, to moc, która zostanie uzyskana, wyniesie 23 = 8 W, gdy prędkość wzrośnie do 2 m sek-1, to moc, która zostanie uzyskana, wyniesie 33 = 27 W i tak dalej (Vindmolleindustrien, 2006).
Gdy prędkość wiatru ma tak duży wpływ na moc, która zostanie uzyskana z turbiny wiatrowej, bardzo ważny jest potencjał wiatru w miejscu, w którym turbina zostanie zbudowana. Głównym celem jest znalezienie punktu, w którym prędkość wiatru jest maksymalna i tam zainstalowanie turbiny.
Struktura terenu miejsca, w którym będzie pracował wirnik turbiny wiatrowej: Istnieje zależność pomiędzy prędkością wiatru a wysokością wiatru. Zależność ta jest uzależniona od pewnych warunków. Warunki te wynikają z ukształtowania terenu. Te same warunki nie występują w przypadku płaskiej powierzchni terenu i powierzchni z przeszkodami. Na płaskiej powierzchni terenu wraz ze wzrostem wysokości wzrasta również prędkość w stosunku bezpośrednim, ale nie będzie to prawdą na powierzchni terenu z przeszkodami. Na powierzchni z przeszkodami wiatr będzie musiał pokonać przeszkody, aby wznowić swój bieg, a to spowoduje przerwę w prędkości wiatru.
Jeśli najważniejszym kryterium uzyskania energii z wiatru jest prędkość wiatru, to bardzo ważne jest, aby znaleźć obszary, gdzie prędkość wiatru jest wysoka i zainstalować tam wirnik turbiny wiatrowej. Nie musimy jednak przyjmować fałszywego założenia, że zwiększając wysokość zawsze będziemy łapać wiatry zawierające więcej energii (Rys. 6).
Czynnikami, które wpływają na prędkość wiatru w zależności od wysokości są: stała Von Karmana, prędkość tarcia powierzchniowego oraz długość chropowatości.
Stała Von Karmana przyjmuje różne wartości pomiędzy 0 a 4; długość chropowatości przyjmuje wartości pomiędzy 0 a 5. Grafika dotycząca tych wartości znajduje się poniżej (Rys. 7).
Wymagane osiągi od wirnika turbiny wiatrowej: Przed wyborem turbiny wiatrowej dla przedsiębiorstwa, najpierw musimy określić, ile energii elektrycznej potrzebuje nasze przedsiębiorstwo. W ten sposób można określić moc turbiny wiatrowej, która zostanie zainstalowana. Wydajność wymagana od wirnika musi zostać określona w zależności od mocy zainstalowanej w przedsiębiorstwie. W tym momencie należy również wziąć pod uwagę ilość energii, którą przedsiębiorstwo będzie potrzebowało w przyszłości (Yavuzcan, 1978).
Całkowita moc centralna (Yavuzcan, 1978):
Dla maksymalnej konsumpcji zużytej mocy jest tutaj (Yavuzcan, 1978);
Moc światła przedsiębiorstwa jest (Yavuzcan, 1978);
ZASADY PROJEKTOWANIA ROTORÓW
Obliczenia dotyczące projektowanych łopatek próbnych: Wyznaczanie ciężaru właściwego powietrza: Należy zmierzyć wartości temperatury powietrza w tunelu aerodynamicznym podczas pracy łopat doświadczalnych. I można to obliczyć za pomocą następującego równania. Tak więc, wartość ta pozwoli określić gęstość atmosfery (Vardar, 2002).
Określenie powierzchni przekroju poprzecznego wirnika: Płaszczyzna przekroju wirnika jest stałowartościowa i zależy od średnicy wirnika. Przy obliczaniu płaszczyzny przekroju wirnika stosuje się następujące równanie.
Obliczanie teoretycznej mocy wiatru, która trafia do wirnika: Wiatr posiada energię kinetyczną ze względu na swoją prędkość. Z powodu energii kinetycznej, tutaj daje moc. I ta moc jest maksymalna moc z wiatru pochodzi i jest użyteczne. Tę maksymalną moc można obliczyć za pomocą następującego równania (Klug, 2001).
Określanie wartości mocy elektrycznej na silniku elektrycznym: Ze względu na prędkość wiatru wirnik będzie się obracać. I dlatego w silniku elektrycznym pojawi się prąd i napięcie. Wartość tego prądu i napięcia można zmierzyć za pomocą analizatorów obwodów. I te dwie wartości zapisuje się w następującym równaniu, w którym otrzymuje się moc elektryczną (Erna, 1977).
Determinowanie współczynnika prędkości końcówki łopaty: Współczynnik prędkości obrotowej łopat jest zależny od prędkości obrotowej (w punkcie oddalonym o odległość r (promień) od środka wirnika jest to prędkość obrotowa) i prędkości wiatru. Prędkość obrotową można określić za pomocą następującego równania (Ozdamar i Kavas, 1999).
A tip speed ratio można obliczyć za pomocą następującego równania (Ozdamar i Kavas, 1999).
Obliczanie współczynnika mocy: Cała teoretyczna moc wiatru nie może przekształcić się w moc praktyczną (Betz, 1926). Podczas transformacji dają pewne straty mocy. W tym stanie należy obliczyć stosunek transformacji z teoretycznej mocy wiatru do mocy osi. W obliczeniach można wykorzystać następujące równanie (Ozdamar i Kavas, 1999).1708>
W tabeli 1 podano wartość strat wirowych.
| Tabela 1: | Wartości CPschmitz w zależności od λ (Ozdamar i Kavas, 1990) |
Stratę profilu można obliczyć za pomocą następującego równania (Ozdamar i Kavas, 1999).
Liczbę poślizgu można obliczyć za pomocą następującego równania (Ozdamar i Kavas, 1999).
Wartość tego ε zmienia się w zależności od profilu ostrza.
Wartości prędkości uzyskane w eksperymentach zapisać w następującym równaniu (Piggott, 2006).
Jeśli obliczone wartości Re i zastosowany profil przestrzega, można uzyskać optymalną wartość CK/CD i α (kąt natarcia) (z pomocą oprogramowania Snack 2.0).
Stratę na końcówce można obliczyć za pomocą następującego równania (Ozdamar i Kavas, 1999).
Określenie mocy wału: Z równań 18 i 22 można wyznaczyć teoretyczną moc wiatru oraz współczynnik mocy. Te dwie wartości zapisane w poniższym równaniu, pozwalają na wyznaczenie praktycznej mocy osi profili łopat (Ozdamar i Kavas, 1999).
Obliczenia dotyczące rzeczywistych łopat: Biorąc pod uwagę wyniki badań, wartość mocy, jaką można uzyskać z wału wirnika, który będzie zainstalowany na turbinie wiatrowej, można obliczyć następującą metodą.
Określenie powierzchni przekroju wirnika: Również płaszczyznę przekroju wirnika rzeczywistej łopaty można obliczyć za pomocą równania 17 (Birnie, 1999). Wartości średnicy wirnika muszą być takie same dla porównywanych wirników po przeprowadzeniu obliczeń.
Określenie mocy na wale wirnika: Wartość Cp, która jest wykorzystywana przy określaniu mocy osi wirnika, została obliczona za pomocą równania 22. Wartości gęstości atmosfery i prędkości wiatru muszą być stałe dla porównania wirników po przeprowadzeniu obliczeń. Moc osi wirnika dla rzeczywistych łopat można obliczyć za pomocą następującego równania (Klug, 2001).
Dostosowanie rzeczywistych łopat do regionów występowania wiatru: Wartości prędkości wiatru, które są używane w tym miejscu są wartościami, które zostały zmierzone i obserwowane przez co najmniej 6 miesięcy. Podane wartości prędkości wiatru są wartościami zmierzonymi 10 m nad ziemią. Ważna jest użyta tu wartość współczynnika mocy. Aby porównać wirniki na końcu obliczeń, należy przyjąć wartość ciężaru właściwego powietrza jako wartość stałą.
Obliczanie pola powierzchni przekroju wirnika: Płaszczyznę przekroju wirnika przy rzeczywistych adaptacjach łopat do danego regionu można obliczyć za pomocą równania 17 (Birnie, 1999).
Określanie prędkości wiatru na wysokości osi wirnika: Prędkość wiatru na wysokości piasty wirnika można obliczyć za pomocą następującego równania (Klug, 2001).
Obliczanie mocy na wale wirnika: Moc na osi można obliczyć za pomocą równania Eq. 25 (Klug, 2001).
WNIOSKI
W celu zwiększenia wydajności turbin wiatrowych, zasady planowania wirnika są bardzo ważne dla turbin wiatrowych z osią poziomą. Nie można oczekiwać maksymalnej wydajności zainstalowanej turbiny wiatrowej bez przeprowadzenia procesów optymalizacji.
Jak w każdym temacie, aby odnieść sukces w wykorzystaniu energii wiatru, podstawowe wartości muszą być oparte na danych naukowych. Z tego punktu widzenia należy przedstawić parametry konstrukcyjne wirnika w turbinach wiatrowych. Na tej podstawie można opracować najbardziej odpowiednie systemy, biorąc za podstawę dane źródłowe.
Podstawową strategią jest zastosowanie w praktyce systemów o wysokiej wydajności, które mogą konkurować.
Nomenklatura