Alternative Energy Tutorials
Czy łopaty turbin wiatrowych powinny być płaskie, wygięte czy zakrzywione
Wiatr jest darmowym zasobem energii, dopóki rządy nie nałożą na niego podatku, ale wiatr jest również bardzo nieprzewidywalnym i zawodnym źródłem energii, ponieważ ciągle zmienia się zarówno jego siła, jak i kierunek. Aby produkować użyteczne ilości energii, turbiny wiatrowe generalnie muszą być duże i wysokie, ale aby pracować wydajnie muszą być dobrze zaprojektowane i skonstruowane, co czyni je również drogimi.
Większość turbin wiatrowych zaprojektowanych do produkcji energii elektrycznej składa się z dwu- lub trzyłopatowego śmigła obracającego się wokół osi poziomej. Oczywistym jest, że te śmigłowe konstrukcje łopat turbin wiatrowych przekształcają energię wiatru w użyteczną moc na wale zwaną momentem obrotowym. Osiąga się to poprzez wydobycie energii z wiatru poprzez jego spowolnienie lub wyhamowanie, gdy przechodzi on nad łopatami. Siły, które spowalniają wiatr są równe i przeciwne do sił nośnych typu ciąg, które obracają łopaty.
Tak jak skrzydło samolotu, łopaty turbiny wiatrowej działają poprzez generowanie siły nośnej dzięki ich zakrzywionemu kształtowi. Strona o największym zakrzywieniu generuje niskie ciśnienie powietrza, podczas gdy powietrze o wysokim ciśnieniu pod spodem naciska na drugą stronę aerofoilu w kształcie łopaty. Rezultatem netto jest siła nośna prostopadła do kierunku przepływu powietrza nad łopatką turbiny. Sztuką jest zaprojektowanie łopaty wirnika w taki sposób, aby wytworzyć odpowiednią ilość siły nośnej i ciągu wytwarzającej optymalne opóźnienie powietrza, a tym samym lepszą wydajność łopaty.
Jeśli łopaty śmigła turbiny obracają się zbyt wolno, pozwala ona zbyt wiele wiatru przejść przez niezakłócone, a tym samym nie wydobywa tyle energii, ile potencjalnie mogłaby. Z drugiej strony, jeśli łopata śmigła obraca się zbyt szybko, jawi się wiatrowi jako duży płaski obracający się dysk, który wytwarza duży opór powietrza.
Wtedy optymalny współczynnik prędkości końcówki, TSR, który jest definiowany jako stosunek prędkości końcówki wirnika do prędkości wiatru, zależy od profilu kształtu łopaty wirnika, liczby łopat turbiny i samej konstrukcji łopaty śmigła turbiny wiatrowej. Więc jaki jest najlepszy kształt łopaty i projekt dla łopat turbiny wiatrowej.
Ogólnie, łopaty turbiny wiatrowej są ukształtowane tak, aby generować maksymalną moc z wiatru przy minimalnych kosztach budowy. Jednak producenci łopat do turbin wiatrowych zawsze starają się opracować bardziej wydajny projekt łopaty. Ciągłe udoskonalenia w projektowaniu łopat wiatrowych zaowocowały nowymi projektami turbin wiatrowych, które są bardziej kompaktowe, cichsze i są w stanie wygenerować więcej mocy z mniejszej ilości wiatru. Uważa się, że poprzez lekkie zakrzywienie łopatki turbiny, są w stanie uchwycić 5 do 10 procent więcej energii wiatru i działać bardziej efektywnie w obszarach, które mają typowo niższe prędkości wiatru.
Wind Turbine Blade Design
Więc, który typ kształtu łopatki produkowałby największą ilość energii dla turbiny wiatrowej? – Płaskie łopaty są najstarszą konstrukcją łopat i były używane przez tysiące lat w wiatrakach, ale ten płaski, szeroki kształt staje się mniej powszechny niż inne typy konstrukcji łopat. Płaskie łopaty napierają na wiatr, a wiatr na łopaty.
Powstały w ten sposób obrót jest bardzo powolny, ponieważ łopaty, które obracają się z powrotem w górę po wygenerowaniu mocy, są w opozycji do mocy wyjściowej. Dzieje się tak dlatego, że łopaty działają jak ogromne wiosła poruszające się w niewłaściwym kierunku, pchając się przeciwko wiatrowi, co nadaje im nazwę łopat wirnika opartego na oporze.
Jednakże projekty płaskich łopat oferują znaczące korzyści dla majsterkowiczów w porównaniu z innymi projektami łopat wiatrowych. Płaskie łopaty wirnika są łatwe i tanie do wycięcia z arkuszy sklejki lub metalu, co zapewnia, że łopaty mają spójny kształt i rozmiar. Są one również najłatwiejsze do zrozumienia, wymagają mniejszych umiejętności projektowania i budowy, ale ich wydajność i łatwość generowania energii elektrycznej jest bardzo niska.
Łopaty zakrzywione są bardzo podobne do długiego skrzydła samolotu (znanego również jako aerofoil), które ma zakrzywioną powierzchnię na górze. Zakrzywiona łopatka ma powietrze przepływające wokół niej, które porusza się nad zakrzywioną górną częścią łopatki szybciej niż pod płaską stroną łopatki, co powoduje niższy obszar ciśnienia na górze, a zatem, w rezultacie, podlega aerodynamicznym siłom nośnym, które tworzą ruch.
Te siły nośne są zawsze prostopadłe do górnej powierzchni zakrzywionej łopatki, co powoduje ruch obrotowy łopatki wokół centralnej piasty. Im szybciej wieje wiatr, tym większa siła nośna jest wytwarzana na łopatce, a więc tym szybszy jest obrót. Zaletą zakrzywionej łopaty wirnika w porównaniu z łopatą płaską jest to, że siła nośna pozwala końcówkom łopat turbiny wiatrowej poruszać się szybciej niż porusza się wiatr, generując większą moc i wyższą sprawność. W rezultacie, łopaty turbin wiatrowych oparte na windzie stają się teraz bardziej powszechne. Również domowe łopatki turbin wiatrowych z pcv mogą być cięte z rur kanalizacyjnych o standardowym rozmiarze, które mają już wbudowany zakrzywiony kształt dający im najlepszy kształt łopatki.
Przepływ powietrza w zakrzywionej łopatce i wydajność
Ale zakrzywione łopatki również cierpią z powodu oporu wzdłuż swojej długości, który próbuje zatrzymać ruch łopatki. Opór jest zasadniczo tarciem powietrza o powierzchnię łopatki. Opór jest prostopadły do siły nośnej i jest w tym samym kierunku co przepływ powietrza wzdłuż powierzchni łopatki. Możemy jednak zmniejszyć tę siłę oporu poprzez zginanie lub skręcanie łopaty, a także zwężanie jej na całej długości, uzyskując najbardziej efektywny projekt łopaty turbiny wiatrowej.
Kąt pomiędzy kierunkiem nadciągającego wiatru a nachyleniem łopaty względem nadciągającego wiatru nazywany jest „kątem natarcia”. Gdy kąt ten staje się większy, powstaje większa siła nośna, ale gdy kąt ten staje się jeszcze większy, większy niż około 20o, łopatka zaczyna zmniejszać siłę nośną. Tak więc istnieje idealny kąt nachylenia łopaty wirnika, który tworzy najlepszą rotację, a nowoczesne łopaty wirnika turbiny wiatrowej są faktycznie zaprojektowane ze skrętem wzdłuż ich długości od stromego skoku u ich nasady do bardzo płytkiego skoku na ich końcu.
As the speed at the tip of a rotating blade is faster than it is at its root or center, modern rotor blades are twisted along their length by between 10-to-20o from root to tip so that the angle of attack decreases from where the air is moving relatively slowly near to their root, to where it is moving much faster at the tip. Takie skręcenie łopaty maksymalizuje kąt natarcia na całej długości, zapewniając najlepszą siłę nośną i rotację.
Podsumowując, długość łopaty wirnika turbiny wiatrowej określa jak dużo energii wiatrowej może być przechwycone, ponieważ obraca się ona wokół centralnej piasty, a wydajność aerodynamiczna łopat turbiny wiatrowej jest bardzo różna pomiędzy łopatą płaską a zakrzywioną. Płaskie łopaty są tanie i łatwe do wykonania, ale mają wysokie siły oporu, co czyni je powolnymi i nieefektywnymi.
Aby zwiększyć wydajność łopat turbiny wiatrowej, łopaty wirnika muszą mieć profil aerodynamiczny, aby wytworzyć siłę nośną i obrócić turbinę, ale zakrzywione łopaty typu aerofoil są trudniejsze do wykonania, ale oferują lepsze osiągi i wyższe prędkości obrotowe, co czyni je idealnymi do wytwarzania energii elektrycznej.
Aby uzyskać najlepszy projekt łopat turbiny wiatrowej, możemy poprawić aerodynamikę i wydajność jeszcze bardziej, używając skręconych, stożkowych łopat wirnika typu śmigło. Skręcenie łopaty powoduje zmianę kąta natarcia wzdłuż łopaty, co w połączeniu z efektem skręcenia i zwężenia łopaty na całej jej długości poprawia kąt natarcia zwiększając prędkość, wydajność przy jednoczesnym zmniejszeniu oporu. Ponadto, łopaty stożkowe są mocniejsze i lżejsze niż łopaty proste, ponieważ naprężenia zginające są zredukowane.
Projekt łopaty turbiny wiatrowej jest kluczowy, aby turbina wiatrowa działała zgodnie z oczekiwaniami. Innowacje i nowe technologie wykorzystywane do projektowania łopat turbin wiatrowych nie zatrzymały się tutaj, ponieważ nowe formuły i projekty są rozważane w celu poprawy ich wydajności, efektywności i mocy wyjściowej codziennie.
Aby dowiedzieć się więcej o „łopatkach turbin wiatrowych” i jak one działają jako część systemu energii wiatrowej, a następnie kliknij tutaj, aby zamówić książkę Wind Power For Dummies z Amazon dzisiaj i dowiedzieć się więcej o turbinach wiatrowych, energii wiatrowej i generatorach wiatrowych do generowania własnej darmowej mocy.