A válasz Miért van a szélturbináknak rendkívül vékony lapátja?
A rotor területe lényegtelen a teljesítmény szempontjából. De hogyan érheti el a legjobb energiát egy szélturbinából? Stefan, a KR olvasó tudni akarta. Tanácsot kértem a KR szakértőitől. Ez a válaszod.
A szél Németországban már az összes energia több mint nyolc százalékát adja, és az összes megújuló energia több mint egyharmadát adja. Az offshore energia hatalmas potenciált kínál a jövő villamosenergia-elegyében. Az Északi-tenger tizenegy, a Balti-tengeren két üzem látja el velünk az áramot. A szárazföldön, vagyis az országban lényegesen több van, bár alacsonyabb kibocsátással. A múltban azonban az offshore üzemekre vonatkozó előrejelzéseket újra és újra lefelé kellett felülvizsgálni, mert a hálózati kapcsolatuk nehéz volt.
A szélerőművek másik fontos előfeltétele jó 100 évvel ezelőtt jött létre Betz Albert fizikus számításainak köszönhetően. Betz repülőgépgyártó is volt. Meghatározta az optimálisan elérhető teljesítményt, az úgynevezett maximális teljesítmény-együtthatót. A szélturbina ugyanis nem tudja teljesen átalakítani a szél mozgási energiáját mechanikus forgási energiává.
Betz "Szélenergia és szélmalmok általi hasznosítása" című könyve PDF formátumban itt érhető el.
A Krautreporter olvasója, Stefan ezért felteszi magának a turbinák felépítésének kérdését: „Mivel 15 évvel ezelőtt láttam az első szélturbinákat, folyton azt kérdezem magamtól, miért vannak ilyen rendkívül vékony lapátjai. Úgy tűnik, hogy csak a körzetének körülbelül öt százalékát teszik ki. Vajon a vastagabb levelek nem képesek-e több energiát átalakítani villamos energiává, mert nagyobb a nyomaték és az ellenállás? Összefoglalom őket ebben a bejegyzésben. (Az összes részletes cikket megtalálhatja a tagok területén - kérjük, jelentkezzen be. Legyen tagja?
Röviden: a lapátok szélessége megfelel az optimális aerodinamikai profilnak. De mit is jelent ez pontosan? Nils, a Krautreporter tagja részletesen leírja a hatásmódot. A 26 éves fiatalember gépészmérnöki és energetikai tanulmányokat folytat, megújuló energiákkal, áramellátással és fenntarthatósági kérdésekkel foglalkozik.
„Másoltak egy technológiát a 20. század egyik legnagyobb találmányából - a repülőgépből. A mai szélturbinák szárnya ugyanúgy működik, mint egy repülőgép szárnya: nem a légáramlással szembeni ellenállást használják, hanem az emelést. A szárny emelését a felső és az alsó nyomáskülönbségek okozzák. Tehát ugyanaz a kérdés, miért olyan keskenyek a jumbo sugárok szárnyai, amikor több száz tonnát kell a levegőben tartaniuk? Ha átvágja a szárnyat, látható egy ívelt szárnyprofil. Ez biztosítja, hogy a beáramló levegőnek nagyobb távolságot kell megtennie a tetején, mint az alján. Ez azt jelenti, hogy a fenti levegő sebessége nagyobb és a nyomás csökken. Az ellenkezője az alsó oldalon található: a levegő el van gátolva, és a nyomás növekszik. A szárnyat felszívják és felfelé tolják - és az egész repülőgépet magával viszi. "
Minden gyűrűszakaszra (dr) Betz meghatározta az optimális lapátmélységet t (r) a kések számától (z), a sebesség arányától (λ), a kiválasztott profil emelési együtthatójától (ca) és a rotor sugarától (R) függően. Az optimális t szárny mélysége az r sugár függvénye.
„Ezeket a feltételeket azonban - folytatja Nils - egyetlen szárnyon sem lehet megteremteni. Amikor a levegő átáramlik a szárnyon, a felülethez dörzsölődik és lelassul. Ha a szárny túl széles, a lelassult levegő óriási ellenállást vált ki az áramlásban. Ez fékezi a repülőgépet a mozgás irányába (és a szélerőmű rotort a forgás irányába). Az elakadás jelensége azonban még ennél is rosszabb: Ha a szárnyakat túl szélesre tervezik, a szárny levegője olyan mértékben lelassulhat, hogy az áramlás már nem szépen pihen a felszínen, hanem elválik. Ez pedig a felhajtóerő jelentős csökkenését eredményezi. "
Vagy ahogy Lucca tengerészmérnök írja: „A szárny minősége egyértelműen kifejezhető az emelés és a húzás arányával, ami az úgynevezett csúszási arányt eredményezi. Ismert, hogy a szárnyak csúszási aránya különösen jó, ha rendkívül karcsúak (például vitorlázógépeknél, ahol a vékony a szárnyfesztávolság és az akkordhossz arányát jelenti).
"Tehát a tökéletesen megtervezett pengék sok emelést eredményeznek, anélkül, hogy túl nagy ellenállást eredményeznének" - mondja Nils. Most felteheti a következő kérdést: miért nem használ sok keskeny levelet, hogy nagyobb területet takarjon és nagyobb erőt generáljon. Ez a sok (vagy néhány nagyon széles) lapát viszont nagy ellenállási területet kínálna, és a szél a rotor elé gyűlne, ami alacsonyabb áramlási sebességet eredményezne a lapátokon. A nagyobb emelés érdekében azonban fontos, hogy nagy áramlási sebesség alakuljon ki, ezért kevesebb szárnyat használnak annak érdekében, hogy ne lassítsák túlságosan a bejövő szelet. Ezek az aerodinamikai megfontolások, valamint a lehető legkevesebb anyag felhasználása és a rotor agyának túlzott terhelésének elkerülése iránti vágy gondoskodtak arról, hogy a pontosan három, viszonylag keskeny pengéjű turbinák érvényesüljenek. "
F. mérnök kifejtette: „A szélturbinák lehető leghatékonyabb működése (az úgynevezett Betz teljesítmény-együttható) szempontjából a rendszer előtti eredeti szélsebesség és a rendszer mögötti szélsebesség aránya a meghatározó. A levelek száma, amelyek az áramló levegő energiáját forgási energiává alakítják, alárendelt szerepet játszik. Vannak olyan koncepciók, amelyeknél lényegesen nagyobb a lapátok száma, de ezek aztán más sebességgel járnak, mint a háromlapátos szélturbinák. Az egyetlen meghatározó tényező a forgórész által lefedett terület, mivel ez határozza meg a szél által lehívható teljesítményt. "
Idézi a szélenergia-technológiára vonatkozó szabványos munkát: "Szélerőművek - alapismeretek, tervezés, tervezés és üzemeltetés", Robert Gasch és Jochen Twele szerkesztésében: "A rotor magas aránya az erőmű összes költségében (20-25% összes költség) ”[Gasch és Twele, Windkraftanlagen 2010]. Ezen túlmenően, a "tömeg és a légerő rotorfelületen történő eloszlása miatt" a "hárompengés rotorok" dinamikusan csendesebbek, ami kevesebb feszültséget eredményez az összes alkatrészen "[Gasch és Twele, Windkraftanlagen, 2010].
Röviden összefoglalva Reinhold szavaival: „A rotor területe lényegtelen a teljesítmény szempontjából. A rotorlapátok által lefedett terület meghatározó. "
Köszönjük Nils, Lucca, F., Tom, D., Marcus, Jonas, Martin, M., Markus, Dagobert, Guilherme, Ernst, Harald, Peter, Ismael és Reinhold válaszait.