Отговорът Защо вятърните турбини имат изключително тънки лопатки?
Зоната на ротора е без значение за производителността. Но как да получите най-добрата енергия от вятърна турбина? Читателят на KR Стефан искаше да знае това. Помолих експертите на KR за съвет. Това е вашият отговор.
Вятърът вече доставя повече от осем процента от цялата енергия в Германия и представлява повече от една трета от всички възобновяеми източници. Офшорната енергия предлага огромен потенциал в комбинацията от електричество в бъдещето. В момента единадесет системи в Северно море и две в Балтийско море ни доставят електричество. На сушата, т.е.в страната има значително повече, макар и с по-ниска продукция. В миналото обаче прогнозите за офшорни централи трябваше да се ревизират отново и отново надолу, тъй като тяхната мрежова връзка беше трудна.
Друга важна предпоставка за вятърни електроцентрали е създадена преди около 100 години благодарение на изчисленията на физика Алберт Бец. Betz също беше производител на самолети. Той определи оптимално постижимата производителност, т. Нар. Максимален коефициент на ефективност. Това е така, защото вятърната турбина не може напълно да преобразува кинетичната енергия на вятъра в механична ротационна енергия.
Книгата на Betz "Вятърната енергия и нейното използване от вятърни мелници" е достъпна тук като PDF.)
Затова читателят на Krautreporter Стефан си задава въпроса за конструкцията на турбините: „Тъй като видях първите вятърни турбини преди 15 години, непрекъснато се питам защо имат толкова изключително тънки лопатки. Изглежда, че съставляват само около пет процента от площта на кръга. Няма ли по-дебелите листа да могат да преобразуват повече енергия в електричество, защото има повече въртящ момент и устойчивост? ”Вие, уважаеми билкови репортери експерти, ми изпратихте многобройни отговори. Ще ги обобщя в този пост. (Можете да намерите всички подробни статии в областта за членове - моля, влезте. Станете член? Ето как.)
Накратко, ширината на лопатките съответства на оптималния аеродинамичен профил. Но какво точно означава това? Членът на Krautreporter Нилс описва подробно начина на действие. 26-годишният младеж учи машиностроене и енергетика и се занимава с възобновяеми енергийни източници, енергийни доставки и устойчивост.
„Те копираха технология от едно от великите изобретения на 20-ти век - самолетът. Крило на днешните вятърни турбини работи по абсолютно същия начин като крилото на самолета; използва се не съпротивлението на въздушния поток, а повдигането. Повдигането на крилото е причинено от разликите в налягането между горната и долната част. Така че същият въпрос е, защо крилата на джъмбо джетове са толкова тесни, когато трябва да държат стотици тонове във въздуха? Ако прорежете крилото, можете да видите извит профил на крилото. Това гарантира, че входящият въздух трябва да измине по-голямо разстояние отгоре, отколкото отдолу. Това означава, че въздухът отгоре има по-висока скорост и налягането е намалено. Обратното се намира от долната страна: въздухът е затворен и налягането се увеличава. Така че крилото е засмукано и избутано отдолу - и взима целия самолет със себе си. "
За всяка пръстенна секция (dr) Betz определи оптималната дълбочина на острието t (r) в зависимост от броя на лопатките (z), съотношението на скоростта (λ), коефициента на повдигане (ca) на избрания профил и радиуса (R) на ротора. Оптималната дълбочина на крилото t е функция от радиуса r.
„Тези условия обаче - продължи Нилс - не могат да бъдат създадени на нито едно крило. Когато въздухът тече над крилото, то се трие по повърхността и се забавя. Ако крилото е твърде широко, забавеният въздух създава огромно съпротивление в потока. Това също спира въздухоплавателното средство по посока на движение (и ротора на силата на вятъра в посока на въртене). Феноменът на застой обаче е още по-лош: Ако крилата са проектирани твърде широко, въздухът на крилото може да бъде забавен до такава степен, че потокът вече не лежи добре на повърхността, а се отделя. И това води до значителна загуба на плаваемост. "
Или както корабостроителният инженер Лука пише: „Качеството на крилото може да бъде ясно изразено чрез съотношението на повдигане към съпротивление, което води до така нареченото съотношение на плъзгане. Известно е, че крилата имат особено добри съотношения на плъзгане, когато са изключително тънки (като при планери, където тънък означава съотношението на размах на крилата към дължината на хордите). "
„Така перфектно проектираните остриета създават много повдигане, без да създават прекалено голямо съпротивление - казва Нилс. - Обратният случай е при твърде широките остриета. Сега можете да зададете последващ въпрос, защо не използвате много тесни листа, за да покриете повече площ и да генерирате повече сила. Тези много лопатки (или дори няколко много широки) от своя страна биха предложили голяма площ на съпротивление и вятърът ще се натрупва пред ротора, което води до по-ниски скорости на потока върху лопатките. За да се генерира повече повдигане, е важно да се появят високи скорости на потока, така че се използват по-малко крила, за да не се забави много входящият вятър. Тези аеродинамични съображения, заедно с желанието да се използва възможно най-малко материал и да не се оставя натоварването на главината на ротора да стане твърде голямо, гарантираха, че турбините с точно три относително тесни лопатки преобладават. "
Инженер Ф. обяснява: „За възможно най-ефективната работа на вятърните турбини (т.нар. Коефициент на мощност на Betz), съотношението на първоначалната скорост на вятъра пред системата към скоростта на вятъра зад системата е определящо. Броят на листата, които преобразуват енергията на течащия въздух в ротационна енергия, играе подчинена роля. Има концепции със значително по-голям брой лопатки, но те след това работят с различна скорост от трилопастните вятърни турбини. Единственият решаващ фактор е площта, покрита от ротора, тъй като това определя мощността, която може да се извлече от вятъра. "
Той цитира стандартната работа по вятърна енергийна технология „Вятърни електроцентрали - основи, проектиране, планиране и експлоатация“, редактирана от Робърт Гаш и Йохен Туел: „Високият дял на ротора в общите разходи на централата (20 до 25 процента) говори за възможно най-малък брой лопатки общо разходи) '[Gasch and Twele, Windkraftanlagen 2010]. В допълнение, поради „разпределението на масата и въздушните сили по повърхността на ротора,„ трилопастните ротори “са динамично по-тихи, което води до по-малко напрежение върху всички компоненти“ [Gasch and Twele, Windkraftanlagen, 2010]. “
Накратко обобщено с думите на Reinhold: „Зоната на ротора е без значение за производителността. Областта, покрита от лопатките на ротора, е определяща. "
Благодарим ви за отговорите на Нилс, Лука, Ф., Том, Д., Маркус, Джонас, Мартин, М., Маркус, Дагоберт, Гилерме, Ернст, Харалд, Питър, Исмаел и Райнхолд.