Výukové programy pro alternativní zdroje energie
Měly by být lopatky větrných turbín ploché, zahnuté nebo zakřivené
Vítr je bezplatný zdroj energie, dokud na něj vlády neuvalí daň, ale vítr je také velmi nepředvídatelný a nespolehlivý zdroj energie, protože se neustále mění jeho síla i směr. Aby větrné turbíny vyráběly užitečné množství energie, musí být obecně velké a vysoké, ale aby pracovaly efektivně, musí být také dobře navrženy a zkonstruovány, což je také prodražuje.
Většina větrných turbín určených k výrobě elektřiny se skládala ze dvou nebo třílisté vrtule otáčející se kolem vodorovné osy. Je zřejmé, že tyto konstrukce lopatek větrné turbíny podobné vrtuli přeměňují energii větru na využitelný výkon hřídele nazývaný točivý moment. Toho se dosahuje získáváním energie z větru jeho zpomalováním nebo zpomalováním větru při jeho průchodu přes lopatky. Síly, které zpomalují vítr, jsou stejné a opačné než vztlakové síly typu tahu, které otáčejí lopatkami.
Podobně jako křídlo letadla pracují lopatky větrné turbíny tak, že díky svému zakřivenému tvaru vytvářejí vztlak. Strana s největším zakřivením vytváří nízký tlak vzduchu, zatímco vzduch s vysokým tlakem pod ní tlačí na druhou stranu aerodynamického krytu ve tvaru lopatek. Výsledkem je vztlaková síla kolmá na směr proudění vzduchu nad lopatkami turbíny. Trik spočívá v tom, že lopatky rotoru jsou navrženy tak, aby vytvářely správné množství vztlaku a tahu, což vede k optimálnímu zpomalení vzduchu, a tím k lepší účinnosti lopatek.
Pokud se lopatky vrtule turbíny otáčejí příliš pomalu, nechávají nerušeně procházet příliš mnoho větru, a tím nevyužívají tolik energie, kolik by potenciálně mohly. Na druhou stranu, pokud se vrtulový list otáčí příliš rychle, jeví se větru jako velký plochý rotující kotouč, který vytváří velký odpor.
Optimální poměr otáček špičky, TSR, který je definován jako poměr rychlosti špičky rotoru k rychlosti větru, závisí na tvarovém profilu rotorových listů, počtu lopatek turbíny a na samotné konstrukci vrtulového listu větrné turbíny. Jaký je tedy nejlepší tvar a konstrukce lopatek větrné turbíny.
Obecně jsou lopatky větrných turbín tvarovány tak, aby generovaly maximální výkon z větru při minimálních konstrukčních nákladech. Výrobci lopatek větrných turbín se však neustále snaží vyvíjet účinnější konstrukci lopatek. Neustálé zdokonalování konstrukce lopatek větrných turbín přineslo nové konstrukce větrných turbín, které jsou kompaktnější, tišší a jsou schopny vyrábět větší výkon z menšího množství větru. Předpokládá se, že mírným zakřivením lopatek turbíny jsou schopny zachytit o 5 až 10 procent více energie větru a pracovat efektivněji v oblastech, které mají obvykle nižší rychlost větru.
Konstrukce lopatek větrné turbíny
Takže jaký typ tvaru lopatek by u větrné turbíny vyrobil největší množství energie? – Ploché lopatky jsou nejstarší konstrukcí lopatek a na větrných mlýnech se používají již tisíce let, ale tento plochý široký tvar je stále méně běžný než jiné typy konstrukce lopatek. Ploché lopatky tlačí proti větru a vítr tlačí proti lopatkám.
Výsledná rotace je velmi pomalá, protože lopatky, které se po výrobě energie otáčejí zpět nahoru, jsou v protikladu k výkonu. Je to proto, že se lopatky chovají jako obrovská pádla pohybující se špatným směrem a tlačí proti větru, což jim dalo název rotorové lopatky založené na odporu.
Konstrukce s plochými lopatkami však ve srovnání s jinými konstrukcemi větrných lopatek nabízí kutilům značné výhody. Ploché rotorové lopatky lze snadno a levně vyřezat z překližky nebo kovu, což zajišťuje, že lopatky mají jednotný tvar a velikost. Jsou také nejjednodušší na pochopení a vyžadují méně návrhářských a konstrukčních dovedností, ale jejich účinnost a snadnost výroby elektrické energie je velmi nízká.
Zakřivené lopatky jsou velmi podobné dlouhému křídlu letadla (známému také jako aerodynamický kryt), které má na vrcholu zakřivený povrch. Kolem zakřivené lopatky proudí vzduch, přičemž vzduch se přes zakřivenou horní plochu lopatky pohybuje rychleji než pod plochou stranou lopatky, což vytváří na horní straně nižší tlakovou plochu, a proto na ni v důsledku toho působí aerodynamické vztlakové síly, které vytvářejí pohyb.
Tyto vztlakové síly jsou vždy kolmé na horní plochu zakřivené lopatky, což způsobuje rotační pohyb lopatky kolem středového náboje. Čím rychleji vítr fouká, tím větší vztlak na lopatku působí, a tedy i rychlejší rotace. Výhody zakřivené lopatky rotoru ve srovnání s plochou lopatkou spočívají v tom, že vztlakové síly umožňují, aby se špičky lopatek větrné turbíny pohybovaly rychleji, než se pohybuje vítr, a vytvářely tak větší výkon a vyšší účinnost. V důsledku toho se nyní stále častěji používají lopatky větrných turbín založené na vztlaku. Také podomácku vyrobené pvc lopatky větrných turbín lze vyřezat z drenážních trubek standardních rozměrů, které mají již zabudovaný zakřivený tvar, což jim dává nejlepší tvar lopatek.
Proudění vzduchu a výkon zakřivených lopatek
Zakřivené lopatky však také trpí odporem po celé své délce, který se snaží zastavit pohyb lopatek. Odpor je v podstatě tření vzduchu o povrch lopatky. Odpor je kolmý na vztlak a má stejný směr jako proudění vzduchu podél povrchu lopatky. Tuto odporovou sílu však můžeme snížit ohnutím nebo zkroucením lopatky a také jejím zúžením po délce, čímž vznikne co nejúčinnější konstrukce lopatky větrné turbíny.
Úhel mezi směrem protivítrného proudění a sklonem lopatky vzhledem k protivítrnému proudění se nazývá „úhel náběhu“. Jak se tento úhel náběhu zvětšuje, vzniká větší vztlak, ale jakmile je úhel ještě větší, větší než přibližně 20o, začne lopatka snižovat vztlak. Existuje tedy ideální úhel náklonu rotorové lopatky, který vytváří nejlepší rotaci, a lopatky rotorů moderních větrných turbín jsou ve skutečnosti konstruovány tak, že se po celé délce stáčejí od strmého náklonu u kořene k velmi malému náklonu na špičce.
Protože rychlost na špičce rotující lopatky je vyšší než u jejího kořene nebo středu, jsou moderní rotorové lopatky po celé své délce stočeny o 10 až 20o od kořene ke špičce, takže úhel náběhu klesá od místa, kde se vzduch pohybuje relativně pomalu v blízkosti jejich kořene, k místu, kde se pohybuje mnohem rychleji na špičce. Toto zkroucení lopatek maximalizuje úhel náběhu po celé délce, čímž se dosáhne nejlepšího vztlaku a rotace.
Závěrem lze říci, že délka lopatek rotoru větrné turbíny určuje, jak velký výkon větru lze zachytit, když rotují kolem centrálního náboje, a aerodynamické vlastnosti lopatek větrných turbín se velmi liší mezi plochými a zakřivenými lopatkami. Ploché lopatky jsou levné a snadno se vyrábějí, ale mají velké odporové síly, takže jsou pomalé a neúčinné.
Pro zvýšení účinnosti lopatek větrné turbíny musí mít rotorové lopatky aerodynamický profil, aby vytvářely vztlak a otáčely turbínou, ale zakřivené lopatky aerodynamického typu se vyrábějí obtížněji, ale nabízejí lepší výkon a vyšší rychlosti otáčení, takže jsou ideální pro výrobu elektrické energie.
Abychom však získali nejlepší konstrukci lopatek větrné turbíny, můžeme aerodynamiku a účinnost ještě zlepšit použitím zkroucených, kuželových rotorových lopatek vrtulového typu. Zkroucením lopatky se mění úhel větrů podél lopatky, přičemž kombinovaný účinek zkroucení a zúžení lopatky po celé její délce zlepšuje úhel náběhu, čímž se zvyšuje rychlost, účinnost a zároveň se snižuje odpor vzduchu. Kuželové lopatky jsou také pevnější a lehčí než rovné lopatky, protože se snižuje ohybové namáhání.
Konstrukce lopatek větrné turbíny má zásadní význam pro to, aby větrná turbína fungovala podle očekávání. Inovace a nové technologie používané při navrhování lopatek větrných turbín se zde nezastavily, protože se denně uvažuje o nových vzorcích a konstrukcích, které by zlepšily jejich výkon, účinnost a výkon.
Chcete-li se dozvědět více o „lopatkách větrných turbín“ a o tom, jak fungují jako součást systému větrných elektráren, pak klikněte zde a objednejte si knihu Wind Power For Dummies od Amazonu ještě dnes a zjistěte více o větrných turbínách, větrné energii a větrných generátorech pro výrobu vlastní energie zdarma.
Pokud se chcete dozvědět více o větrných turbínách, větrné energii a větrných generátorech pro výrobu vlastní energie zdarma, pak klikněte zde.