Alternatív energia oktatóanyagok
Sík, hajlított vagy ívelt legyen a szélturbina lapátja
A szél egy ingyenes energiaforrás, amíg a kormányok nem vetnek rá adót, de a szél egy nagyon kiszámíthatatlan és megbízhatatlan energiaforrás is, mivel folyamatosan változik az ereje és az iránya. Ahhoz, hogy hasznos mennyiségű energiát termeljenek, a szélturbináknak általában nagynak és magasnak kell lenniük, de ahhoz, hogy hatékonyan működjenek, jól meg kell tervezni és meg kell tervezni őket, ami szintén drágává teszi őket.
A legtöbb villamosenergia-termelésre tervezett szélturbina egy vízszintes tengely körül forgó két- vagy háromlapátos légcsavarból állt. Nyilvánvaló, hogy ezek a légcsavarszerű szélturbina lapátkialakítások a szél energiáját hasznosítható tengelyteljesítménnyé, úgynevezett nyomatékká alakítják át. Ezt úgy érik el, hogy a szél energiáját a szél lelassításával vagy lassításával vonják ki a szélből, miközben az áthalad a lapátok felett. A szelet lassító erők egyenlőek és ellentétesek a tolóerő jellegű emelőerőkkel, amelyek a lapátokat forgatják.
A szélturbinalapátok a repülőgépek szárnyához hasonlóan úgy működnek, hogy ívelt alakjuknak köszönhetően felhajtóerőt termelnek. A leginkább ívelt oldal alacsony légnyomást generál, míg az alatta lévő magas nyomású levegő a lapát alakú aerofil másik oldalát nyomja. A nettó eredmény a levegő áramlási irányára merőleges felhajtóerő a turbinalapát felett. A trükk itt az, hogy a rotorlapátot úgy kell megtervezni, hogy a rotorlapát megfelelő mennyiségű felhajtóerőt és tolóerőt hozzon létre, ami a levegő optimális lassulását és ezáltal a lapátok jobb hatásfokát eredményezi.
Ha a turbina propellerlapátjai túl lassan forognak, túl sok szelet enged át zavartalanul, és így nem nyer ki annyi energiát, amennyit potenciálisan tudna. Másrészt, ha a légcsavarlapát túl gyorsan forog, akkor a szél számára egy nagy lapos forgó korongként jelenik meg, ami nagy légellenállást okoz.
Az optimális csúcssebesség-arány, TSR, amelyet a rotorcsúcs sebességének és a szélsebességnek az arányaként határoznak meg, a rotorlapát alakprofiljától, a turbinalapátok számától és magától a szélturbina légcsavarlapátjának kialakításától függ. Tehát melyik a legjobb lapátforma és kialakítás a szélturbina lapátjai számára.
A szélturbina lapátjait általában úgy alakítják ki, hogy a lehető legnagyobb teljesítményt nyerjék ki a szélből a legkisebb építési költség mellett. A szélturbinák lapátjainak gyártói azonban mindig a hatékonyabb lapátkialakítás kifejlesztésére törekednek. A széllapátok tervezésének folyamatos fejlesztése olyan új szélturbina-konstrukciókat eredményezett, amelyek kompaktabbak, csendesebbek és kevesebb szélből nagyobb teljesítményt képesek előállítani. Úgy vélik, hogy a turbinalapát enyhe görbítésével 5-10 százalékkal több szélenergiát képesek megragadni, és hatékonyabban működnek olyan területeken, ahol jellemzően alacsonyabb a szélsebesség.
Szélturbina lapáttervezés
Melyik lapátforma termelné tehát a legnagyobb energiát egy szélturbina számára? – A lapos lapátok a legrégebbi lapátkialakítás, és évezredek óta használják őket szélmalmokon, de ez a lapos, széles forma egyre kevésbé elterjedt, mint más típusú lapátkialakítások. A lapos lapátok a széllel szemben nyomódnak, a szél pedig a lapátok ellen nyomódik.
A keletkező forgás nagyon lassú, mivel az energiatermelés után a felfelé irányuló lökésen visszaforgó lapátok ellentétes irányban állnak a teljesítmény leadásával. Ez azért van, mert a lapátok úgy viselkednek, mint hatalmas lapátok, amelyek a rossz irányba mozognak, és a széllel szemben nyomódnak, ezért kapták az ellenálláson alapuló rotorlapátok nevet.
A lapos lapátok kialakítása azonban jelentős előnyöket kínál a barkácsolók számára más széllapát-kialakításokhoz képest. A lapos rotorlapátokat könnyű és olcsó rétegelt lemezből vagy fémből kivágni, ami biztosítja, hogy a lapátok egységes alakúak és méretűek legyenek. Ezek a legkönnyebben érthetőek is, kevesebb tervezési és építési ismeretet igényelnek, de a hatékonyságuk és az elektromos energia előállításának egyszerűsége nagyon alacsony.
A hajlított lapátok nagyon hasonlítanak egy hosszú repülőgépszárnyhoz (más néven aerofoil), amelynek a tetején ívelt felület van. Az ívelt lapát körül áramlik a levegő, amely a lapát ívelt teteje felett gyorsabban mozog, mint a lapát lapos oldala alatt, így a lapát tetején kisebb nyomású terület keletkezik, ezért aerodinamikai emelőerők hatnak rá, amelyek mozgást hoznak létre.
Ezek az emelőerők mindig merőlegesek az ívelt lapát felső felületére, ami a lapátot a központi hub körül forgó mozgásra készteti. Minél gyorsabban fúj a szél, annál nagyobb felhajtóerő keletkezik a lapáton, ezért annál gyorsabb a forgás. Az ívelt rotorlapát előnye a lapos lapátokkal szemben az, hogy a felhajtóerők lehetővé teszik, hogy a szélturbina lapátcsúcsai gyorsabban mozogjanak, mint a szél, ami nagyobb teljesítményt és nagyobb hatásfokot eredményez. Ennek eredményeképpen a felhajtóerő-alapú szélturbinalapátok egyre elterjedtebbé válnak. Emellett a házilag készített pvc szélturbina lapátok szabványos méretű vízelvezető csövekből is kivághatók, amelyekbe az ívelt alak már be van építve, így a legjobb lapátformát kapják.
A görbe lapát légáramlás és teljesítmény
Az ívelt lapátok azonban a hosszuk mentén is szenvednek a légellenállástól, amely megpróbálja megállítani a lapát mozgását. A légellenállás lényegében a levegő súrlódása a lapát felületén. A légellenállás merőleges a felhajtóerőre, és ugyanabban az irányban van, mint a levegő áramlása a lapát felületén. Ezt a légellenállási erőt azonban csökkenthetjük a lapát hajlításával vagy csavarásával, valamint a lapát hosszában való kúposodásával, ami a leghatékonyabb szélturbina lapátkialakítást eredményezi.
A szembejövő szél iránya és a lapátnak a szembejövő szélhez viszonyított dőlésszöge közötti szöget “állásszögnek” nevezzük. Ahogy ez a támadási szög nagyobb lesz, több felhajtóerő keletkezik, de ahogy a szög még nagyobb lesz, kb. 20o-nál nagyobb, a lapát elkezdi csökkenteni a felhajtóerőt. A rotorlapátnak tehát van egy ideális dőlésszöge, amely a legjobb forgást eredményezi, és a modern szélturbinák rotorlapátjait úgy tervezik, hogy hosszuk mentén a gyökerüknél meredek dőlésszögtől a csúcsuknál nagyon sekély dőlésszögig csavarodnak.
Mivel a forgó lapátok csúcsán a sebesség gyorsabb, mint a gyökerüknél vagy a közepénél, a modern rotorlapátok a gyökerüktől a csúcsig 10-20o -ig csavarodnak, hogy a támadási szög csökkenjen a gyökerükhöz közel viszonylag lassan mozgó levegőtől a csúcsnál sokkal gyorsabban mozgó levegőig. Ez a lapátcsavarás maximalizálja a támadási szöget hosszában, így a legjobb felhajtóerő és forgás érhető el.
Összefoglalva, a szélturbina rotorlapátjainak hossza határozza meg, hogy mennyi szélenergiát lehet megragadni, mivel a rotorlapátok egy központi tengely körül forognak, és a szélturbina lapátjainak aerodinamikai teljesítménye nagyon eltérő a lapos lapátok és az ívelt lapátok között. A lapos lapátok olcsók és könnyen elkészíthetők, de nagy a légellenállásuk, ami lassúvá és gazdaságtalanná teszi őket.
A szélturbina lapátok hatékonyságának növeléséhez a rotorlapátoknak aerodinamikai profillal kell rendelkezniük, hogy felhajtóerőt hozzanak létre és forgassák a turbinát, de az ívelt aerofoil típusú lapátokat nehezebb elkészíteni, de jobb teljesítményt és nagyobb forgási sebességet nyújtanak, így ideálisak az elektromos energia előállításához.
A szélturbina lapátok legjobb kialakításához azonban az aerodinamikát és hatékonyságot még tovább javíthatjuk csavart, kúpos propeller típusú rotorlapátok használatával. A lapát csavarása megváltoztatja a szél szögét a lapát mentén, a csavarás és a lapát hosszában történő kúposodás együttes hatása javítja a támadási szöget, növelve a sebességet, a hatékonyságot, miközben csökkenti a légellenállást. Emellett a kúpos lapátok erősebbek és könnyebbek, mint az egyenes lapátok, mivel a hajlítófeszültség csökken.
A szélturbina lapátjainak kialakítása kulcsfontosságú ahhoz, hogy a szélturbina az elvárásoknak megfelelően működjön. A szélturbina lapátok tervezéséhez használt innovációk és új technológiák nem álltak meg itt, mivel új képleteket és terveket vesznek figyelembe, hogy naponta javítsák teljesítményüket, hatékonyságukat és teljesítményüket.
Ha többet szeretne megtudni a “szélturbina lapátokról” és arról, hogyan működnek egy szélenergia-rendszer részeként, akkor kattintson ide, és rendelje meg a Wind Power For Dummies könyvet az Amazonról még ma, és tudjon meg többet a szélturbinákról, szélenergiáról és szélgenerátorokról a saját ingyenes áramtermeléshez.