Odpoveď Prečo majú veterné turbíny extrémne tenké lopatky?
Oblasť rotora nie je pre výkon relevantná. Ako však získať najlepšiu energiu z veternej turbíny? Čitateľ KR Stefan to chcel vedieť. Požiadal som o radu odborníkov KR. To je vaša odpoveď.
Veterná energia už dodáva viac ako osem percent všetkej energie v celom Nemecku a predstavuje viac ako tretinu všetkých obnoviteľných zdrojov. Offshore energia ponúka obrovský potenciál v zmesi elektriny budúcnosti. V súčasnosti nám elektrinu dodáva jedenásť systémov v Severnom mori a dva v Baltskom mori. Na pevnine, teda v krajine, je ich podstatne viac, aj keď s nižšou produkciou. V minulosti sa však prognózy pre pobrežné elektrárne museli znovu a znovu revidovať smerom nadol, pretože ich pripojenie k sieti bolo ťažké.
Ďalší dôležitý predpoklad pre veterné turbíny bol vytvorený pred dobrých 100 rokmi vďaka výpočtom fyzika Alberta Betza. Betz bol tiež výrobcom lietadiel. Stanovila optimálne dosiahnuteľný výkon, takzvaný maximálny výkonový koeficient. Veterná turbína nemôže úplne previesť kinetickú energiu vetra na mechanickú rotačnú energiu.
Betzova kniha „Veterná energia a jej využitie veternými mlynmi“ je k dispozícii tu ako PDF.)
Čitateľ Krautreporter Stefan si preto kladie otázku konštrukcie turbín: „Keďže som videl prvé veterné turbíny pred 15 rokmi, stále si kladiem otázku, prečo majú také extrémne tenké čepele. Zdá sa, že tvoria iba asi päť percent plochy kruhu. Neboli by hrubšie listy schopné premeniť viac energie na elektrinu, pretože existuje väčší krútiaci moment a odpor? “Vy, drahí odborníci na bylinné reportéry, ste mi poslali množstvo odpovedí. Zhrniem ich v tomto príspevku. (Všetky podrobné články nájdete v oblasti členov - prihláste sa. Staňte sa členom? Tu je postup.)
Stručne povedané, šírka lopatiek zodpovedá optimálnemu aerodynamickému profilu. Čo to ale presne znamená? Člen Krautreporter Nils podrobne popisuje spôsob konania. 26-ročný mladík študuje strojárstvo a energetiku a venuje sa otázkam obnoviteľnej energie, napájania a udržateľnosti.
"Skopírovali technológiu z jedného z veľkých vynálezov 20. storočia - lietadla." Krídlo dnešných veterných turbín funguje úplne rovnako ako krídlo lietadla; nepoužíva sa odpor proti prúdeniu vzduchu, ale výťah. Zdvih krídla je spôsobený tlakovými rozdielmi medzi hornou a spodnou časťou. Rovnaká otázka teda znie, prečo sú krídla veľkých lietadiel také úzke, keď musia držať vo vzduchu stovky ton? Ak prerezáte krídlo, môžete vidieť zakrivený profil krídla. Takto je zaistené, že prichádzajúci vzduch musí cestovať dlhšie zhora ako zdola. To znamená, že vzduch hore má vyššiu rýchlosť a tlak je znížený. Na spodnej strane sa nachádza opak: vzduch je zablokovaný a tlak sa zvyšuje. Krídlo je nasávané a tlačené zdola nahor - a berie so sebou celé lietadlo. ““
Pre každý prstencovitý úsek (dr) určil Betz optimálnu hĺbku listu t (r) v závislosti od počtu listov (z), pomeru rýchlosti (λ), koeficientu zdvihu (ca) zvoleného profilu a polomeru (R) rotora. Optimálna hĺbka krídla t je funkciou polomeru r.
„Tieto podmienky,“ pokračuje Nils, „však nemožno vytvoriť na žiadnom krídle. Keď vzduch prúdi nad krídlo, trie sa o povrch a spomaľuje sa. Ak je krídlo príliš široké, spomalený vzduch vytvára v toku obrovský odpor. Toto tiež brzdí lietadlo v smere pohybu (a rotor veternej energie v smere otáčania). Fenomén uviaznutia je však ešte horší: Ak sú krídla navrhnuté príliš široké, môže sa vzduch na krídle spomaliť do takej miery, že tok už nebude pekne spočívať na povrchu, ale oddelí sa. A to má za následok významnú stratu vztlaku. ““
Alebo ako píše lodná inžinierka Lucca: „Kvalitu krídla možno jasne vyjadriť pomerom zdvihu k odporu, ktorý vedie k takzvanému kĺzavému pomeru. Je známe, že krídla majú obzvlášť dobrý pomer kĺzavosti, keď sú extrémne štíhle (napríklad u klzákov, kde štíhle znamená pomer rozpätia krídel k dĺžke akordov). “
„Takže perfektne navrhnuté čepele vytvárajú veľa zdvihu bez toho, aby vytvárali príliš veľký odpor,“ hovorí Nils. „Opak je príliš široký. Teraz by ste si mohli položiť následnú otázku, prečo nepoužívate veľa úzkych listov na pokrytie väčšej plochy a na vytvorenie väčšej sily. Toľko lopatiek (alebo dokonca niekoľko veľmi širokých) by zase ponúklo veľkú oblasť odporu a vietor by sa hromadil pred rotorom, čo by malo za následok nižšie rýchlosti prúdenia lopatiek. Aby sa však dosiahol väčší vztlak, je dôležité, aby sa vyskytli vysoké rýchlosti prúdenia, takže sa používa menej krídel, aby sa prichádzajúci vietor príliš nespomalil. Tieto aerodynamické úvahy spolu s túžbou použiť čo najmenšie množstvo materiálu a nenechať zaťaženie náboja rotora príliš veľké zabezpečili, že zvíťazili turbíny s presne tromi relatívne úzkymi lopatkami. ““
Inžinier F. vysvetľuje: „Pre najefektívnejšiu prevádzku veterných turbín (tzv. Betzov výkonový koeficient) je rozhodujúci pomer pôvodnej rýchlosti vetra pred sústavou a rýchlosti vetra za sústavou. Podriadenú úlohu zohráva počet listov, ktoré premieňajú energiu prúdiaceho vzduchu na energiu rotačnú. Existujú koncepty s podstatne vyšším počtom lopatiek, ktoré však potom bežia rôznymi rýchlosťami ako veterné turbíny s tromi lopatkami. Jediným rozhodujúcim faktorom je oblasť pokrytá rotorom, pretože tá určuje výkon, ktorý je možné čerpať z vetra. ““
Cituje zo štandardnej práce na technológii veternej energie „Veterné elektrárne - základy, projektovanie, plánovanie a prevádzka“, ktorú vypracovali Robert Gasch a Jochen Twele: „Vysoké náklady na rotor v celkových nákladoch elektrárne hovoria za čo najnižší počet lopatiek (20 až 25 percent). celkové náklady) “[Gasch a Twele, Windkraftanlagen 2010]. Navyše v dôsledku „rozloženia hmoty a vzdušných síl po povrchu rotora sú„ trojlistové rotory “dynamicky tichšie, čo vedie k menšiemu namáhaniu všetkých komponentov“ [Gasch a Twele, Windkraftanlagen, 2010]. “
Stručne zhrnuté slovami Reinholda: „Plocha rotora nie je pre výkon relevantná. Rozhodujúca je oblasť pokrytá listami rotora. ““
Ďakujeme za odpovede Nils, Lucca, F., Tom, D., Marcus, Jonas, Martin, M., Markus, Dagobert, Guilherme, Ernst, Harald, Peter, Ismael a Reinhold.