Alternative Energy Tutorials
Moeten de bladen van windturbines plat, gebogen of gekromd zijn
De wind is een gratis energiebron, totdat regeringen er belasting op heffen, maar de wind is ook een zeer onvoorspelbare en onbetrouwbare energiebron, omdat hij voortdurend verandert, zowel in sterkte als in richting. Om bruikbare hoeveelheden stroom te produceren, moeten windturbines over het algemeen groot en hoog zijn, maar om efficiënt te werken moeten ze ook goed ontworpen en geconstrueerd zijn, wat ze ook duur maakt.
De meeste windturbines die voor de productie van elektriciteit zijn ontworpen, bestaan uit een propeller met twee of drie bladen die rond een horizontale as draait. Het ligt voor de hand te zeggen dat deze propellerachtige windturbinebladontwerpen de energie van de wind omzetten in bruikbaar asvermogen, koppel genoemd. Dit wordt bereikt door de energie uit de wind te halen door deze af te remmen of de wind te vertragen wanneer deze over de bladen gaat. De krachten die de wind afremmen zijn gelijk en tegengesteld aan de stuwkracht die de bladen doet draaien.
Net als een vliegtuigvleugel werken windturbinebladen door lift op te wekken dankzij hun gebogen vorm. De kant met de meeste kromming genereert lage luchtdruk, terwijl lucht met hoge druk eronder op de andere kant van de bladvormige aerofoil duwt. Het netto resultaat is een liftkracht loodrecht op de stroomrichting van de lucht over het turbineblad. De kunst is hier om het rotorblad zo te ontwerpen dat de juiste hoeveelheid lift en stuwkracht ontstaat, waardoor een optimale vertraging van de lucht ontstaat en het blad dus efficiënter werkt.
Als de propellerbladen van de turbine te langzaam draaien, laat hij te veel wind ongestoord door en haalt hij dus niet zoveel energie eruit als mogelijk zou zijn. Anderzijds, als het propellerblad te snel draait, verschijnt het voor de wind als een grote platte roterende schijf, die een grote hoeveelheid luchtweerstand creëert.
Dan hangt de optimale tip speed ratio, TSR, die wordt gedefinieerd als de verhouding van de snelheid van de rotortip tot de windsnelheid, af van het vormprofiel van het rotorblad, het aantal turbinebladen, en het ontwerp van het windturbine propellerblad zelf. Dus wat is de beste bladvorm en ontwerp voor windturbine bladen.
Over het algemeen worden windturbine bladen gevormd om het maximale vermogen uit de wind te genereren tegen de minimale bouwkosten. Maar fabrikanten van windturbinebladen zijn altijd op zoek naar een efficiënter bladontwerp. Voortdurende verbeteringen in het ontwerp van windbladen hebben geleid tot nieuwe windturbineontwerpen die compacter en stiller zijn en meer vermogen kunnen opwekken met minder wind. Men gelooft dat door het enigszins krommen van het turbineblad, zij in staat zijn 5 tot 10 procent meer windenergie op te vangen en efficiënter te werken in gebieden die gewoonlijk lagere windsnelheden hebben.
Windturbinebladontwerp
Dus welk type bladvorm zou de grootste hoeveelheid energie voor een windturbine opleveren? – Platte bladen zijn het oudste bladontwerp en worden al duizenden jaren gebruikt voor windmolens, maar deze platte brede vorm komt steeds minder vaak voor dan andere bladontwerpen. De vlakke bladen duwen tegen de wind, en de wind duwt tegen de bladen.
De resulterende rotatie is zeer traag omdat de bladen die terugdraaien op de opgaande slag na het opwekken van stroom, tegengesteld zijn aan de vermogensoutput. Dit komt omdat de bladen zich gedragen als enorme peddels die in de verkeerde richting bewegen en tegen de wind in duwen, waardoor ze de naam van op weerstand gebaseerde rotorbladen krijgen.
Hoewel, ontwerpen met vlakke bladen bieden belangrijke voordelen voor de doe-het-zelver in vergelijking met andere windbladontwerpen. Platte rotorbladen zijn gemakkelijk en goedkoop te snijden uit een plaat multiplex of metaal, zodat de bladen een consistente vorm en grootte hebben. Ze zijn ook het gemakkelijkst te begrijpen en vereisen minder ontwerp- en constructievaardigheden, maar hun efficiëntie en het gemak waarmee elektrische stroom kan worden opgewekt is zeer laag.
Gebogen bladen lijken veel op een lange vliegtuigvleugel (ook bekend als een aerofoil) die aan de bovenkant een gebogen oppervlak heeft. Om het gekromde blad stroomt lucht, die sneller over de gekromde bovenkant van het blad beweegt dan onder de vlakke kant van het blad, waardoor bovenin een lager drukgebied ontstaat, en daardoor onderhevig is aan aërodynamische liftkrachten die beweging veroorzaken.
Deze liftkrachten staan altijd loodrecht op het bovenvlak van het gekromde blad, waardoor het blad roterend rond de centrale naaf beweegt. Hoe harder de wind waait, hoe meer lift er op het blad wordt geproduceerd, en dus hoe sneller de rotatie. De voordelen van een gebogen rotorblad ten opzichte van een vlak blad is dat de liftkrachten de bladuiteinden van een windturbine in staat stellen sneller te bewegen dan de wind beweegt, waardoor meer vermogen en een hogere efficiëntie worden gegenereerd. Dientengevolge, worden de op lift gebaseerde windturbinebladen nu gemeenschappelijker. Ook kunnen zelfgemaakte pvc-windturbinebladen worden gesneden uit standaardafvoerbuizen waarin de gebogen vorm al is ingebouwd, zodat ze de beste bladvorm hebben.
Curved Blade Air Flow and Performance
Gebogen bladen hebben echter ook te lijden onder de luchtweerstand in de lengterichting, die de beweging van het blad probeert tegen te houden. Weerstand is in wezen de wrijving van lucht tegen het bladoppervlak. De weerstand staat loodrecht op de lift en is in dezelfde richting als de luchtstroom langs het bladoppervlak. Maar we kunnen deze luchtweerstand verminderen door het blad te buigen of te verdraaien en het in de lengte taps toe te laten lopen, wat het meest efficiënte windturbinebladontwerp oplevert.
De hoek tussen de richting van de aankomende wind en de helling van het blad ten opzichte van de aankomende wind wordt de “invalshoek” genoemd. Als deze invalshoek groter wordt, wordt meer lift gecreëerd, maar als de hoek nog groter wordt, groter dan ongeveer 20o, zal het blad lift beginnen te verminderen. Er is dus een ideale hellingshoek van het rotorblad die de beste rotatie oplevert en moderne rotorbladen voor windturbines zijn in feite ontworpen met een draaiing in de lengte, van een steile helling aan de wortel tot een zeer ondiepe helling aan de top.
Aangezien de snelheid aan de punt van een roterend blad hoger is dan aan de wortel of in het midden, worden moderne rotorbladen van de wortel tot de punt 10 tot 20o gedraaid, zodat de invalshoek afneemt van een relatief langzame beweging van de lucht bij de wortel tot een veel snellere beweging bij de punt. Deze bladverdraaiing maximaliseert de invalshoek over de gehele lengte, waardoor de beste lift en rotatie worden verkregen.
Concluderend kan worden gesteld dat de lengte van het rotorblad van een windturbine bepaalt hoeveel windkracht kan worden opgevangen als het blad rond een centrale naaf draait, en dat de aërodynamische prestaties van windturbinebladen sterk verschillen tussen een vlak blad en een gebogen blad. Platte bladen zijn goedkoop en gemakkelijk te maken, maar hebben een hoge luchtweerstand waardoor ze traag en inefficiënt zijn.
Om de efficiëntie van windturbinebladen te verhogen, moeten de rotorbladen een aërodynamisch profiel hebben om lift te creëren en de turbine te laten draaien, maar gebogen aërosolvormige bladen zijn moeilijker te maken, maar leveren betere prestaties en hogere rotatiesnelheden waardoor ze ideaal zijn voor de opwekking van elektrische energie.
Maar om het beste ontwerp voor windturbinebladen te verkrijgen, kunnen we de aërodynamica en efficiëntie nog meer verbeteren door gedraaide, taps toelopende propeller-type rotorbladen te gebruiken. Het draaien van het blad verandert de windhoek langs het blad met het gecombineerde effect van het draaien en het taps toelopen van het blad over zijn lengte verbetert de invalshoek die snelheid en efficiency verhoogt terwijl het de luchtweerstand vermindert. Ook zijn taps toelopende bladen sterker en lichter dan rechte bladen omdat de buigspanning wordt verminderd.
Het ontwerp van windturbinebladen is van cruciaal belang om een windturbine volgens de verwachtingen te laten werken. Innovaties en nieuwe technologieën die worden gebruikt voor het ontwerpen van windturbinebladen zijn hier niet gestopt, omdat nieuwe formules en ontwerpen worden overwogen om hun prestaties, efficiëntie en vermogensafgifte dagelijks te verbeteren.
Om meer te leren over “Windturbinebladen” en hoe ze werken als onderdeel van een windenergiesysteem, klik dan hier om uw Wind Power For Dummies boek van Amazon vandaag nog te bestellen en meer te weten te komen over windturbines, windenergie en windgeneratoren voor het opwekken van uw eigen gratis stroom.