Alternative Energy Tutorials
Bør vindmøllebladene være flade, bøjede eller buede
Vinden er en gratis energikilde, indtil regeringerne lægger en afgift på den, men vinden er også en meget uforudsigelig og upålidelig energikilde, da den konstant ændrer sig i både styrke og retning. For at producere nyttige mængder strøm skal vindmøller generelt være store og høje, men for at fungere effektivt skal de også være godt designet og konstrueret, hvilket også gør dem dyre.
De fleste vindmøller, der er designet til produktion af elektricitet, har bestået af en to- eller trebladet propel, der roterer omkring en vandret akse. Det er indlysende at sige, at disse propellerlignende vindmøllebladskonstruktioner omdanner vindens energi til brugbar akseleffekt kaldet drejningsmoment. Dette opnås ved at udvinde energien fra vinden ved at bremse den eller bremse vinden, mens den passerer hen over bladene. De kræfter, der bremser vinden, er lige store og modsatte af de løftekræfter af typen tryk, der får vingerne til at rotere.
Som en flyvemaskinevinge fungerer vindmøllevinger ved at generere løft på grund af deres buede form. Den side med mest kurve genererer et lavt lufttryk, mens luft med højt tryk nedenunder skubber på den anden side af den bladformede flyvinge. Nettoresultatet er en løftekraft vinkelret på luftstrømmens retning over møllevingerne. Tricket her er at udforme rotorbladet på en sådan måde, at der skabes den rette mængde løfte- og skubkraft fra rotorbladet, hvilket giver en optimal afbremsning af luften og dermed en bedre effektivitet af bladet.
Hvis møllens propelblade roterer for langsomt, lader den for meget vind passere uforstyrret igennem og udvinder derfor ikke så meget energi, som den potentielt kunne. På den anden side, hvis propelbladet roterer for hurtigt, fremstår det for vinden som en stor flad roterende skive, hvilket skaber en stor modstandskraft.
Det optimale tiphastighedsforhold, TSR, der defineres som forholdet mellem rotorspidsens hastighed og vindhastigheden, afhænger af rotorbladets formprofil, antallet af møllevinger og selve vindmøllens propelbladskonstruktion. Så hvad er den bedste bladform og det bedste design for vindmøllevinger.
Generelt er vindmøllevinger formet til at generere den maksimale effekt fra vinden til de mindste konstruktionsomkostninger. Men vindmøllebladproducenterne søger altid at udvikle et mere effektivt bladdesign. Konstante forbedringer i udformningen af vindmøllevinger har resulteret i nye vindmølledesigns, som er mere kompakte, mere støjsvage og i stand til at generere mere kraft fra mindre vind. Man mener, at de ved at krumme møllebladet en smule er i stand til at opfange 5-10 % mere vindenergi og fungere mere effektivt i områder med typisk lavere vindhastigheder.
Vindmøllebladdesign
Så hvilken type bladform vil producere den største mængde energi til en vindmølle? – Flade vinger er det ældste bladdesign og har været brugt i tusindvis af år på vindmøller, men denne flade brede form er ved at blive mindre almindelig end andre typer bladdesign. De flade vinger skubber mod vinden, og vinden skubber mod vingerne.
Den resulterende rotation er meget langsom, fordi de vinger, der roterer tilbage på opadgående slag efter at have genereret strøm, er i opposition til den producerede strøm. Dette skyldes, at bladene opfører sig som store pagajer, der bevæger sig i den forkerte retning og skubber mod vinden, hvilket har givet dem navnet drag-based rotorblade.
Det er imidlertid sådan, at flade bladkonstruktioner giver betydelige fordele for gør-det-selv-folket i forhold til andre vindmøllebladskonstruktioner. Flade rotorblade er nemme og billige at skære ud af krydsfinerplader eller metal, hvilket sikrer, at bladene har en ensartet form og størrelse. De er også de letteste at forstå og kræver færre design- og konstruktionsfærdigheder, men deres effektivitet og lethed til at generere elektrisk strøm er meget lav.
Bøjede vinger ligner meget en lang flyvemaskinevinge (også kendt som en aerofoil), som har en buet overflade på oversiden. Den buede vinge har luft, der strømmer rundt om den, hvor luften bevæger sig hurtigere over den buede overside af vingen end under den flade side af vingen, hvilket giver et lavere trykområde på oversiden og derfor som følge heraf udsættes for aerodynamiske løftekræfter, der skaber bevægelse.
Disse løftekræfter er altid vinkelret på den buede vinges overside, hvilket får vingen til at bevæge sig roterende rundt om det centrale nav. Jo hurtigere vinden blæser, jo mere løft, der produceres på bladet, og dermed hurtigere rotation. Fordelene ved et buet rotorblad i forhold til et fladt blad er, at løftekræfterne gør det muligt for bladspidserne i en vindmølle at bevæge sig hurtigere end vinden bevæger sig, hvilket giver mere strøm og højere virkningsgrad. Som følge heraf bliver liftbaserede vindmøllevinger mere og mere almindelige nu. Desuden kan hjemmelavede pvc-vindmøllevinger skæres af drænrør i standardstørrelse, der allerede har den buede form indbygget, hvilket giver dem den bedste bladform.
Curved Blade Air Flow and Performance
Men buede vinger lider også under modstand langs dens længde, som forsøger at stoppe bladets bevægelse. Trækkraft er i det væsentlige luftens friktion mod bladets overflade. Trækket er vinkelret på løftet og er i samme retning som luftstrømmen langs bladets overflade. Men vi kan reducere denne modstandskraft ved at bøje eller vride bladet og også ved at gøre det mere spinkelt i længden, hvilket giver det mest effektive design af vindmøllebladet.
Vinklen mellem den modgående vinds retning og bladets hældning i forhold til den modgående vind kaldes “angrebsvinkel”. Når denne angrebsvinkel bliver større, skabes der mere løft, men når vinklen bliver endnu større, dvs. større end ca. 20o , vil bladet begynde at mindske løftet. Der findes altså en ideel hældningsvinkel for rotorbladet, som skaber den bedste rotation, og moderne vindmøllerotorblade er faktisk konstrueret med en drejning langs deres længde fra en stejl hældning ved roden til en meget lav hældning ved spidsen.
Da hastigheden ved spidsen af et roterende blad er højere end ved roden eller i midten, er moderne rotorblade vredet langs deres længde med mellem 10-20o fra rod til spids, således at angrebsvinklen falder fra hvor luften bevæger sig relativt langsomt nær deres rod, til hvor den bevæger sig meget hurtigere ved spidsen. Denne vridning af bladet maksimerer angrebsvinklen i længden og giver den bedste løfteevne og rotation.
Sammenfattende bestemmer en vindmølles rotorblads længde, hvor meget vindkraft der kan indfanges, når de roterer omkring et centralt nav, og vindmøllevingernes aerodynamiske ydeevne er meget forskellig mellem et fladt blad og et buet blad. Flade vinger er billige og nemme at fremstille, men har høje modstandskræfter, hvilket gør dem langsomme og ineffektive.
For at øge vindmøllevingernes effektivitet skal rotorbladene have en aerodynamisk profil for at skabe løft og rotere møllen, men buede vinger af aerofiltypen er vanskeligere at fremstille, men giver bedre ydeevne og højere rotationshastigheder, hvilket gør dem ideelle til elektrisk energiproduktion.
Men for at opnå det bedste design for vindmøllevinger kan vi forbedre aerodynamikken og effektiviteten endnu mere ved at bruge snoede, koniske rotorblade af propeltypen. Ved at vride bladet ændres vindvinklen langs bladet, og den kombinerede effekt af at vride og tilspidse bladet i længden forbedrer angrebsvinklen, hvilket øger hastigheden og effektiviteten og samtidig reducerer luftmodstanden. Desuden er koniske vinger stærkere og lettere end lige vinger, da bøjningsspændingen reduceres.
Design af vindmøllevinger er afgørende for at få en vindmølle til at fungere som forventet. Innovationer og nye teknologier, der anvendes til design af vindmøllevinger, er ikke stoppet her, da nye formler og designs overvejes for at forbedre deres ydeevne, effektivitet og effektudgang dagligt.
For at lære mere om “Vindmøllevinger” og hvordan de fungerer som en del af et vindkraftsystem, så klik her for at bestille din Wind Power For Dummies bog fra Amazon i dag og find ud af mere om vindmøller, vindenergi og vindgeneratorer til at generere din egen gratis strøm.