Principen för utformning av rotorer för vindkraftverk med horisontell axel
INLEDNING
Människorna använde elden som det första energislaget, förutom maten. Människor levde endast med maten tills de använde elden. Dessutom skiljde sig människorna med användning av elden från de andra levande. Efteråt använde man ved för att bränna elden och den slocknade inte. De hade en arbetsfördelning i det sociala livet. Därför använde människorna ett nytt energislag. Det nya energislaget var en annan människa. På grund av nomadiseringen var man tvungen att flytta från en plats till en annan. Resultatet av nomadiseringen var att man använde djur som transportmedel. Ett annat energislag som används av människor är vattenkraft. Detta hade använts i slutet av det nomadiska livet av människor. Människor har också använt vinden för att segla båtar och på 1100-talet (efter Kristus) med hjälp av väderkvarnar. Efter det 16. Århundradet ökade särskilt energiförbrukningen på grund av kolproduktionen. Petroleum användes på 1800-talet. Industriens tidsålder började med petroleum och stora människokommuner påverkades. Därefter upptäckte människorna kärnkraften (Inan, 1995).
I slutet av 1900-talet började det problem med miljön. Och det oss ledde till ren och förnybar energi. Dessa rena och förnybara energikällor är sol, geotermisk energi, biomassa, vattenkraft, vindkraft osv. (Inan, 1995).
Alla den energi som jordens yta behöver kommer från solen. Ungefär 1-2 % av den energin omvandlas till vindenergi (Vindmolleindustrien, 2006). Vi kan alltså säga att vindenergi är solenergi som omvandlas till hastighetsenergi (kinetisk energi) (Karadeli, 1999). Vind definieras som luftens rörelse i atmosfären för att balansera den värmeobalans som orsakas av den ojämna uppvärmningen av luften från den huvudsakliga energikällan, solen (Ozdamar och Colak, 2000).
De huvudsakliga krafterna i atmosfären som producerar vind och påverkar dess hastighet är; tryckgraderingskraft, avledande kraft, centrifugalkraft och friktionskraft (Yavuzcan, 1974). Tryckgradientkraften verkar för att flytta luften från högt tryck till lågt tryck. Avledande kraft påverkar luften på två sätt: den ena är som avledande kraft av jordens rotation för rörelser som skapas längs latitudcirklar och den andra är som avledande kraft av jordens rotation för rörelser från ekvatorn till polerna eller i motsatt riktning. Vindar är i allmänhet påverkade av en kraft som vill avleda dem från sitt centrum eftersom de krullar runt ett centrum. Denna kraft kallas centrifugalkraft. Friktionskraften försöker minska vindens hastighet. Effekten av denna kraft är störst när den är nära jordytan (Yavuzcan, 1994).
Rotorns betydelse
Rotorn är det organ som omvandlar vindens kinetiska energi till mekanisk energi. Av denna anledning är den mycket viktig för vindkraftverk. Det är mycket viktigt att rotorn och rotorbladen har optimala egenskaper, eftersom dessa har en direkt effekt på vindkraftverkens effektivitet.
| Fig. 1: | Effektkoefficient (Cp) enligt Betz (1926) |
En flödesmassa har en kinetisk energi på grund av sin hastighet (Klug, 2001).
Den prestationen härleds från energi per tid. Beräknar av massflödet:
I dessa förhållanden kan vi beräkna effekten med följande ekvation (Klug, 2001);
Effektens eget kapital ger den teoretiska effekt som kan erhållas från den rörelseenergi som är lagrad i vinden som Watt. Denna teoretiska effekt måste omvandlas till användbar effekt med hjälp av turbinrotorn. Vid denna punkt måste man ta hänsyn till en konstant som påverkas av vindhastigheten, turbinens axelhastighet och bladvalet. Denna konstant kallas idealisk effektkonstant (Cp). Bladtyp, bladform, lutningsvinkel och bladspetsens hastighet är effektiva faktorer i detta sammanhang. I figur 1 visas diagrammet över den ideala effektkoefficienten. Teoretiskt kan den ideala effektkonstanten inte överstiga 0,59. Denna konstant kallas Betzkonstanten. I praktiken är detta värde ännu mindre (Becenen och Eker, 2001). Eftersom mekaniska förluster (η) träder i kraft i praktiken. Men det mekaniska effektivitetsvärdet kan försummas i beräkningarna, eftersom det ligger nära 1. Vår ekvation med denna kunskap är nedan:
En sak som inte får glömmas bort här är att luftens densitet är 1,225 kgm-3 under meteorologiska standardförhållanden (temperatur: 15°C och lufttryck: 1013,3 hPa) (Klug, 2001). Förändringar i lufttemperatur och lufttryck kommer att förändra luftdensiteten.
| Fig. 2: | Antal cykler för olika konstruktioner under livslängden (Klug, 2001) |
VINDTURBINENS ROTOR OCH ANDRA KONSTRUKTIONER
I fig. 2 antalet cykler för olika konstruktioner under deras livslängd.
Commersiella flygplan har större påfrestningar än broar och helikoptrar. Omvänt är detta lägre antal varv än broar och helikoptrar. I denna sekvens kommer broarna efter kommersiella flygplan. Helikoptrarna har mer stress än efter broarna. Vindkraftverken kommer sist i ordningen. Denna kunskap visar oss att vindkraftverken inte har särskilt mycket stress, även om de har högre antal varv fungerar.
INTRESSEN ATT ROTORDESIGNEN
| – | Till låg vindhastighet hög effekttillförsel. | |
| – | Försörjer hög effekt till låg navhöjd. | |
| – | Försörjer hög effekt i små rotordiametrar. | |
| – | Rotorns effektkoefficienter ökar. | |
| – | Optimera rotorns spetshastighetskvot producera. |
ROTORKONSTRUKTIONSPRINCIPER
Att erhålla maximal energiproduktion från en vindturbin beror på olika faktorer. Dessa är faktorer som vindkraftverkets höjd, vindkraftverkets bladens svepyta och aerodynamiska struktur, lufttäthet och vindhastighet. De viktigaste av dessa faktorer är vindkraftverkets höjd och vindkraftverkets bladens aerodynamiska struktur. Vindkraftverkets höjd är viktig eftersom vindhastigheten ökar ju längre bort från jordytan vi kommer (Yavuzcan, 1994; Klug, 2001). Den aerodynamiska strukturen på vindkraftverkets blad är viktig eftersom den kan omvandla högst 59 % av den kinetiska energi som vinden har till användbar energi (Klug, 2001).
Vindkraftverkets aerodynamiska motor: Vid omvandling av vindenergi, som bildas genom uppvärmning av olika punkter i atmosfären av den huvudsakliga energikällan solen, till elektrisk energi; vindrotor, som är den första ringen i omvandlingskedjan, kan utformas enligt Betz eller Glaubert-Schmitz i syfte att överföra den befintliga vindenergin med minsta möjliga förluster (Ozdamar och Kavas, 1999).
| Fig. 3: | Justering av vinklarna β (Piggott, 2006) |
| Fig. 4: | Några vinklar på bladprofiler (Piggott, 2006) |
Beräknar rotationshastigheten för ett bladelement i rotorn, som ligger med avståndet r från rotorns centrum, som nedåt (Ozdamar och Kavas, 1999):
Och rotorens topphastighetskvot kan beräknas med följande ekvation (Ozdamar och Kavas, 1999).
I en bladkonstruktion måste man justera vinklarna beta (fig. 3), för att kunna använda sladden vid bladet (Piggott, 2006).
Vind som blåser från motsatt håll samlar ihop den verkliga vinden för att ge den synliga vinden som ger lyft- och dragkrafter (Piggott, 2006).
Om man vill konstruera en vindturbinrotor är överfallsvinkeln beroende av den synliga vindens Φ-vinkel och bladvinkeln (Fig. 4).
| Fig. 5: | Den vindvolym som bladelementen fungerar (Piggott, 2006) |
Bladvinkeln kontrollerar överfallsvinkeln, alltså kontrollerar den lyft- och dragmängden i bladet (Piggott, 2006).
I praktiken ger de flesta profiler den bästa lyft- och dragkurvan när angreppsvinkeln är 5 grader. Som en allmän princip, när detaljerade data inte kan erhållas, innebär det att ge denna anfallsvinkel att blotta bladvinkeln (Piggott, 2006).
När bladvinkeln förbereds måste även snörbredden förberedas. Här är anledningen till detta; varje bladelement är under påverkan av en viss vind som ett snöre för att fungera. En sträng med radie r är liten nära centrum och blir större när den kommer långt från centrum och vindmängden i strängen hålls låg. Den viktigaste delen av saken är de blad som befinner sig längst bort från centrum (fig. 5). Den del som ligger närmast centrum är mindre viktig, men oundvikligen i en annan form (Piggott, 2006).
Enligt Betz bromsar vinden sin hastighet i förhållandet 1/3 i varje del av rotorns svepningsområde och denna bromsning förverkligas av en tryckkraft som är nära förknippad med en lyftkraft. Från denna reglering kommer följande ekvation (Piggott, 2006).
För att beräkna antalet blad kan man använda följande ekvation (Piggott, 2006):
Sladden i bladets yttre del kan beräknas med följande ekvation (Piggott, 2006):
Bladets yttre del är viktigare för rotorernas rörelse. Men bladens inre del måste utformas bredare för att hjälpa rotationskraften i början (Piggott, 2006).
Vindturbinens rotorhöjd: När vindhastigheten kommer bort från jordytan befriar den sig från den friktionseffekt som orsakas av jordytans ojämnheter. Därmed rör den sig friare. När den kommer bort från hinder som bromsar dess hastighet ökar dess hastighet. Det antas att vindar som befinner sig 1000 meter över jordytan, dvs. geostrofiska vindar, inte påverkas av jordytans ojämnheter och friktionsförluster. Mot bakgrund av dessa tankar kan vi säga att det finns ett samband mellan vindhastighet och vindhöjd. Detta är anledningen till att vindkraftverk byggs så högt som möjligt (Becenen och Eker, 2001).
Vindhastighetsvärdena med rotoraxelns höjd kan beräknas med följande ekvation (Klug, 2001).
Råhetskoefficienten för värdena i denna ekvation kommer från observation, antagande och erfarenhet (Klug, 2001).
Vindturbinens rotordiameter: Förutom att bestämma turbinhöjden måste diametern på vinden som rotorbladet sveper över bestämmas. Diametern på den vind som rotorbladet sveper över har en direkt effekt på den effekt som kommer att erhållas från turbinen. Rotorns diameter avgör hur stor del av vinddelen som rotorn sveper över (Klug, 2001).
Vindpotentialen på den plats där vindkraftverkets rotor kommer att fungera: Vindpotentialen på den plats där vindkraftverket kommer att installeras är mycket viktig. Därför är den en av de parametrar som måste beaktas vid utformningen av rotorn. Vindhastighetspotentialen där vindkraftverket ska installeras måste observeras under minst sex månader. Vindpotentialen har direkt effekt på vindkraftverkets rotors effektivitet.
Vindhastigheten är den viktigaste faktorn när det gäller vindens energi. Den effekt som kommer att erhållas från vinden är direkt proportionell mot vindhastighetens tredje effekt.
| Fig. 6: | Hålla tillbaka vinden mot det hindret (Klug, 2001) |
| Fig. 7: | Vertikal vindprofil |
Till exempel, grovt räknat, om vindhastigheten är 1 m sek-1 är den effekt som kommer att erhållas 13 = 1 W och när hastigheten ökar till 2 m/sek, kommer den effekt som kommer att erhållas att vara 23 = 8 W, när hastigheten ökar till 2 m sek-1, kommer den effekt som kommer att erhållas att vara 33 = 27 W och så vidare (Vindmolleindustrien, 2006).
När vindhastigheten har så stor inverkan på den effekt som kommer att erhållas från vindkraftverket är vindpotentialen där vindkraftverket kommer att byggas mycket viktig. Huvudsyftet är att hitta den punkt där vindhastigheten är som störst och installera turbinen där.
Landstrukturen på den plats där vindkraftverkets rotor kommer att fungera: Det finns ett samband mellan vindhastighet och vindhöjd. Detta förhållande är beroende av vissa villkor. Dessa villkor har sitt ursprung i landformerna. Samma villkor gäller inte på en plan markyta och en yta med hinder. När höjden ökar på en plan markyta ökar också hastigheten i ett direkt förhållande, men detta gäller inte på en markyta med hinder. På en yta med hinder måste vinden klättra över hinder för att återuppta sin kurs och detta orsakar en paus i vindens hastighet.
Om de viktigaste kriterierna för att erhålla energi från vind är vindhastighet är det mycket viktigt att hitta de områden där vindhastigheten är hög och installera vindturbinrotorer där. Men vi behöver inte göra ett falskt antagande att när vi ökar höjden kommer vi alltid att fånga vindar som innehåller mer energi (fig. 6).
De faktorer som påverkar vindhastigheten beroende på höjden är Von Karman-konstanten, ytfriktionshastigheten och grovhetslängden.
Von Karman-konstanten har olika värden mellan 0 och 4, och grovhetslängden är mellan 0 och 5. En grafisk bild av dessa värden ges nedan (fig. 7).
Den prestanda som krävs av vindturbinens rotor: Innan vi väljer ett vindkraftverk för ett företag måste vi först fastställa hur mycket elkraft vårt företag behöver. På så sätt kan effekten av det vindkraftverk som ska installeras bestämmas. Den prestanda som krävs av rotorn måste bestämmas i enlighet med företagets installerade effekt. I detta skede måste man också ta hänsyn till den effekt som företaget kommer att behöva i framtiden (Yavuzcan, 1978).
Centralens totala effekt (Yavuzcan, 1978):
För den maximalt förbrukade använda effekten är här (Yavuzcan, 1978);
För ljuskraften i företaget är (Yavuzcan, 1978);
Principer för konstruerade rotorer
Beräkningar om konstruerade testblad: Bestämning av luftens specifika vikt: Lufttemperaturvärdena i vindtunneln under arbetet med försöksbladen skall mätas. Den kan beräknas med följande ekvation. Så detta värde kommer att bestämma atmosfärens densitet (Vardar, 2002).
Bestämning av arean av rotortvärsnittet: Planet för rotorns tvärsnitt är ett stabilt värde och det är beroende av rotorns diameter. Vid beräkningen av rotorns tvärsnittsplan används följande ekvation.
Beräkning av den teoretiska vindkraft som går till rotorn: Vinden har en kinetisk energi på grund av sin hastighet. På grund av den kinetiska energin ger här en effekt. Och denna effekt är den maximala effekten från vinden som kommer och är användbar. Denna maximala effekt kan beräknas med följande ekvation (Klug, 2001).
Bestämning av värdet av den elektriska effekten på en elmotor: På grund av vindhastigheten kommer rotorn att rotera. Och därför kommer in i elmotorn ström och spänning att komma ut. Värdet av denna ström och spänning kan mätas med kretsanalysatorer. Dessa två värden skrivs in i följande ekvation, som ger den elektriska effekten (Erna, 1977).
Bestämning av bladens hastighetsförhållande: Det är ett samband mellan rotationshastigheten (avståndet mellan r (radie) och rotorns centrum är rotationshastigheten) och vindhastigheten. Denna rotationshastighet kan bestämmas med följande ekvation (Ozdamar och Kavas, 1999).
Och hastighetsförhållandet kan beräknas med följande ekvation (Ozdamar och Kavas, 1999).
Beräkning av effektkoefficienten: Den teoretiska vindkraften kan inte omvandlas till den praktiska kraften (Betz, 1926). Under omvandlingen ger vissa effektförluster. Vid detta tillstånd måste man beräkna förhållandet för omvandling från den teoretiska vindkraften till axeleffekt. Vid beräkningarna kan följande ekvation användas (Ozdamar och Kavas, 1999).
I tabell 1 värdet av virvelförlust.
| Tabell 1: | Värden för CPschmitz enligt λ (Ozdamar och Kavas, 1990) |
Profilförlusten kan beräknas med följande ekvation (Ozdamar och Kavas, 1999).
Glidantalet kan beräknas med följande ekvation (Ozdamar och Kavas, 1999).
Värdet av detta ε ändras beroende av bladprofilen.
Hastighetsvärdena som erhållits med experimenten skrivs in i följande ekvation (Piggott, 2006).
Om de beräknade Re-värdena och den använda profilen observeras, kan man erhålla det optimala CK/CD-värdet och α (angreppsvinkel) (med hjälp av programmet Snack 2.0).
Toppförlusten kan beräknas med följande ekvation (Ozdamar och Kavas, 1999).
Bestämning av axeleffekt: Med ekv. 18 och 22 kan man bestämma den teoretiska vindkraften och effektkoefficienten. Dessa två värda skriver in följande ekvation, kan sätta den praktiska axeleffekten för bladprofilerna (Ozdamar och Kavas, 1999).
Beräkningar om verkliga blad: Med hänsyn till resultaten av testerna kan effektvärdet som kan erhållas från rotoraxeln som kommer att installeras på vindkraftverket beräknas med följande metod.
Bestämning av arean av rotortvärsnittet: Även sektionsplanet rotorns verkliga blad kan beräknas med ekvation 17 (Birnie, 1999). Värdena för rotordiametern måste vara desamma för att jämföra rotorerna efter beräkningarna.
Bestämning av rotorns axeleffekt: Värdet av Cp, som används vid rotorns axeleffekt, beräknades med hjälp av ekv. 22. Värdena för atmosfärisk täthet och vindhastighet måste vara stabila för att man ska kunna jämföra rotorerna efter beräkningarna. De verkliga bladens rotoraxeleffekt kan beräknas med följande ekvation (Klug, 2001):
Anpassning av verkliga blad till regionernas vindförekomst: De värden för vindhastighet som används här är värden som har uppmätts och observerats under minst sex månader. De värden för vindhastighet som används här är värden som uppmätts 10 meter över marken. Värdet för effektkoefficienten som används här är viktigt. För att jämföra rotorerna i slutet av beräkningarna måste luftens specifika vikt tas som ett konstant värde.
Beräkning av arean av rotorns tvärsnitt: Det kan beräknas med hjälp av Eq. 17 (Birnie, 1999).
Bestämning av vindhastigheten på höjden av rotoraxeln: Vindhastigheten i rotorns navhöjd kan beräknas med hjälp av följande ekvation (Klug, 2001).
Beräkning av rotorns axeleffekt: Effekten i axeln kan beräknas med hjälp av Eq. 25 (Klug, 2001).
KONKLUSIONER
För att öka vindkraftverkens effektivitet är rotorns planeringsprinciper mycket viktiga för vindkraftverk med horisontell axel. Det är inte möjligt att förvänta sig maximal effektivitet från ett vindkraftverk som installeras utan att göra optimeringsprocesserna.
För att lyckas när man utnyttjar vindkraft måste grundläggande värden baseras på vetenskapliga data, precis som i alla andra ämnen. När ämnet betraktas ur denna synvinkel måste man lägga fram parametrar för rotorns utformning i vindkraftverk. Med utgångspunkt i detta kan de lämpligaste systemen utvecklas med utgångspunkt i källdata.
Den grundläggande strategin är att i praktiken införa högpresterande system som kan konkurrera.
Nomenklatur