Handledning om alternativ energi
Bör vindkraftverkens blad vara platta, böjda eller böjda
Vinden är en kostnadsfri energikälla, tills regeringarna lägger en skatt på den, men vinden är också en mycket oförutsägbar och opålitlig energikälla eftersom den hela tiden förändras i både styrka och riktning. För att producera användbara mängder energi måste vindkraftverk i allmänhet vara stora och höga, men för att fungera effektivt måste de också vara väl utformade och konstruerade, vilket också gör dem dyra.
De flesta vindkraftverk som utformats för elproduktion har bestått av en två- eller trebladig propeller som roterar runt en horisontell axel. Det är uppenbart att dessa propellerliknande vindturbinbladskonstruktioner omvandlar vindens energi till användbar axeleffekt som kallas vridmoment. Detta uppnås genom att utvinna energin ur vinden genom att bromsa eller bromsa vinden när den passerar över bladen. De krafter som bromsar vinden är lika stora och motsatta till de lyftkrafter av dragkraftstyp som roterar bladen.
Samma som en flygplansvinge fungerar vindturbinbladen genom att generera lyft på grund av sin böjda form. Den sida som är mest krökt genererar ett lågt lufttryck medan luft med högt tryck undertill trycker på den andra sidan av den bladformade flygkroppen. Nettoresultatet är en lyftkraft vinkelrätt mot luftens strömningsriktning över turbinbladet. Tricket här är att utforma rotorbladet på ett sådant sätt att det skapar rätt mängd lyftkraft och dragkraft från rotorbladet, vilket ger optimal retardation av luften och därmed bättre verkningsgrad hos bladet.
Om turbinens propellerblad roterar för långsamt låter den för mycket vind passera ostört och utvinner därmed inte så mycket energi som den potentiellt skulle kunna göra. Å andra sidan, om propellerbladet roterar för snabbt, framstår det för vinden som en stor platt roterande skiva, vilket skapar ett stort luftmotstånd.
Det optimala spetshastighetsförhållandet, TSR, som definieras som förhållandet mellan rotorspetsens hastighet och vindhastigheten, beror alltså på rotorbladets formprofil, antalet turbinblad och själva vindturbinens propellerbladskonstruktion. Så vilken är den bästa bladformen och designen för vindturbinblad.
Generellt sett är vindturbinblad formade för att generera maximal effekt från vinden till minsta möjliga konstruktionskostnad. Men tillverkarna av vindturbinblad försöker alltid utveckla en effektivare bladdesign. Ständiga förbättringar av utformningen av vindkraftverkens blad har lett till nya vindkraftverkskonstruktioner som är mer kompakta, tystare och som kan generera mer kraft från mindre vind. Man tror att man genom att böja turbinbladet något kan fånga upp 5-10 procent mer vindenergi och arbeta effektivare i områden som vanligtvis har lägre vindhastigheter.
Vindturbinbladets utformning
Så vilken typ av bladform skulle producera den största mängden energi för ett vindkraftverk? – Platta blad är den äldsta bladkonstruktionen och har använts i tusentals år på vindkraftverk, men denna platta breda form blir mindre vanlig än andra typer av bladkonstruktioner. De platta bladen trycker mot vinden och vinden trycker mot bladen.
Den resulterande rotationen är mycket långsam eftersom de blad som roterar tillbaka på uppåtgående slag efter att ha genererat energi står i motsats till den producerade energin. Detta beror på att bladen fungerar som enorma paddlar som rör sig i fel riktning och trycker mot vinden, vilket ger dem namnet dragbaserade rotorblad.
Den platta bladkonstruktionen erbjuder dock betydande fördelar för gör-det-självare jämfört med andra vindkraftsbladskonstruktioner. Platta rotorblad är enkla och billiga att skära av plywood eller metall och garanterar att bladen har en enhetlig form och storlek. De är också lättast att förstå och kräver mindre design- och byggkunskaper, men deras effektivitet och lätthet att generera elektrisk kraft är mycket låg.
Böjda rotorblad liknar i hög grad en lång flygplansvinge (även kallad aerofoil) som har en böjd yta på ovansidan. Det krökta bladet har luft som strömmar runt det med luften som rör sig över bladets krökta ovansida snabbare än den gör under bladets plana sida, vilket ger ett lägre tryckområde på ovansidan och därför, som ett resultat, utsätts för aerodynamiska lyftkrafter som skapar rörelse.
Dessa lyftkrafter är alltid vinkelräta mot det krökta bladets ovansida, vilket får bladet att röra sig roterande runt det centrala navet. Ju snabbare vinden blåser, desto mer lyftkraft produceras på bladet och desto snabbare blir rotationen. Fördelarna med ett böjt rotorblad jämfört med ett platt blad är att lyftkrafterna gör att bladspetsarna i ett vindkraftverk kan röra sig snabbare än vinden rör sig, vilket ger mer kraft och högre verkningsgrad. Som ett resultat av detta blir lyftbaserade vindturbinblad allt vanligare nu. Dessutom kan hemmagjorda vindturbinblad av pvc skäras från dräneringsrör i standardstorlek som redan har den böjda formen inbyggd, vilket ger dem den bästa bladformen.
Curved Blade Air Flow and Performance
Men böjda blad drabbas också av luftmotstånd längs sin längd som försöker stoppa bladets rörelse. Drag är i huvudsak luftens friktion mot bladets yta. Drag är vinkelrätt mot lyft och är i samma riktning som luftflödet längs bladytan. Men vi kan minska denna dragkraft genom att böja eller vrida bladet och även avsmalna det längs dess längd, vilket ger den mest effektiva utformningen av vindturbinbladet.
Vinkeln mellan riktningen på den ankommande vinden och bladets lutning i förhållande till den ankommande vinden kallas ”angreppsvinkel”. När denna anfallsvinkel blir större skapas mer lyftkraft, men när vinkeln blir ännu större, större än cirka 20o , börjar bladet minska lyftkraften. Det finns alltså en idealisk lutningsvinkel för rotorbladet som skapar den bästa rotationen, och moderna rotorblad för vindkraftverk är faktiskt utformade med en vridning längs sin längd från en brant lutning vid roten till en mycket liten lutning vid spetsen.
Då hastigheten vid spetsen av ett roterande blad är högre än vid roten eller i mitten, är moderna rotorblad vridna längs sin längd med mellan 10-20o från rot till spets så att anfallsvinkeln minskar från att luften rör sig relativt långsamt nära roten till att den rör sig mycket snabbare vid spetsen. Denna vridning av bladet maximerar angreppsvinkeln längs längden, vilket ger bästa lyftkraft och rotation.
Slutsatsen är att längden på rotorbladen i ett vindkraftverk avgör hur mycket vindkraft som kan fångas upp när de roterar runt ett centralt nav, och den aerodynamiska prestandan hos vindkraftverkens blad skiljer sig mycket åt mellan platta blad och böjda blad. Platta blad är billiga och lätta att tillverka men har höga dragkrafter som gör dem långsamma och ineffektiva.
För att öka vindturbinbladens effektivitet måste rotorbladen ha en aerodynamisk profil för att skapa lyft och rotera turbinen, men böjda blad av flygplanstyp är svårare att tillverka, men ger bättre prestanda och högre rotationshastigheter, vilket gör dem idealiska för elektrisk energiproduktion.
Men för att få den bästa utformningen av vindturbinbladen kan vi förbättra aerodynamiken och effektiviteten ännu mer genom att använda vridna, avsmalnande rotorblad av propellertyp. Genom att vrida bladet ändras vindvinkeln längs bladet och den kombinerade effekten av att vrida och avsmalna bladet längs dess längd förbättrar anfallsvinkeln, vilket ökar hastigheten och effektiviteten samtidigt som luftmotståndet minskar. Dessutom är koniska blad starkare och lättare än raka blad eftersom böjspänningen minskar.
Design av vindturbinblad är avgörande för att få ett vindkraftverk att fungera enligt förväntningarna. Innovationer och ny teknik som används för att designa vindturbinblad har inte stannat här, eftersom nya formler och konstruktioner övervägs för att förbättra deras prestanda, effektivitet och effektutgång dagligen.
Om du vill lära dig mer om ”vindturbinblad” och hur de fungerar som en del av ett vindkraftssystem, klicka här för att beställa din bok Wind Power For Dummies från Amazon idag och ta reda på mer om vindturbiner, vindkraft och vindkraftsgeneratorer för att generera din egen fria kraft.