Відповідь Чому вітрогенератори мають надзвичайно тонкі лопатки?
Площа ротора не має значення для продуктивності. Але як отримати найкращу енергію від вітрогенератора? Читач КР Стефан хотів це знати. Я звернувся за порадою до експертів КР. Це ваша відповідь.
Вітер вже постачає понад вісім відсотків всієї енергії по всій Німеччині, і на неї припадає більше третини всіх відновлюваних джерел енергії. Морська енергетика пропонує величезний потенціал у поєднанні електроенергії в майбутньому. Наразі одинадцять заводів у Північному та два в Балтійському морях постачають нам електроенергію. На суші, тобто в країні, їх значно більше, хоча і з меншим обсягом виробництва. Проте раніше прогнози щодо офшорних заводів повинні були знову і знову переглядатись вниз, оскільки їх мережеве підключення було важким.
Ще одна важлива передумова для вітрових електростанцій була створена близько 100 років тому завдяки розрахункам фізика Альберта Беца. Бетц також був виробником літаків. Це визначило оптимально досяжну продуктивність, так званий максимальний коефіцієнт продуктивності. Це пов’язано з тим, що вітрогенератор не може повністю перетворити кінетичну енергію вітру в механічну енергію обертання.
Книга Беца "Енергія вітру та її використання вітряками" доступна тут у форматі PDF.)
Тому читач Krautreporter Стефан задає собі питання про конструкцію турбін: «Оскільки я бачив перші вітрогенератори 15 років тому, я постійно запитую себе, чому вони мають такі надзвичайно тонкі лопатки. Здається, вони складають лише близько п’яти відсотків площі кола. Хіба товстіші листя не зможуть перетворити більше енергії на електрику, оскільки там більше крутного моменту та опору? »Ви, шановні експерти-репортери трави, надіслали мені безліч відповідей. Я підсумую їх у цій публікації. (Ви можете знайти всі докладні статті в області учасників - будь ласка, увійдіть. Стати учасником? Ось як.)
Словом, ширина лопатей відповідає оптимальному аеродинамічному профілю. Але що саме це означає? Член Krautreporter Нільс докладно описує спосіб дії. 26-річний хлопець вивчає машинобудування та енергетику та займається проблемами відновлюваних джерел енергії, енергопостачання та сталого розвитку.
«Вони скопіювали технологію одного з найбільших винаходів 20 століття - літака. Крило сучасних вітрогенераторів працює точно так само, як крило літака; використовується не опір потоку повітря, а підйом. Підйом на крилі викликаний перепадами тиску між верхом і низом. Тож те саме питання: чому крила джембо-реактивних літаків такі вузькі, коли їм доводиться утримувати сотні тонн у повітрі? Якщо прорізати крило, можна побачити вигнутий профіль крила. Це гарантує, що надходить повітря повинен проїхати більшу відстань зверху, ніж знизу. Це означає, що повітря вище має вищу швидкість і тиск знижується. З нижньої сторони виявляється протилежне: повітря запружене і тиск зростає. Крило всмоктується і штовхається знизу - і забирає з собою весь літак ".
Для кожної ділянки кільця (dr) Betz визначав оптимальну глибину лопаті t (r) залежно від кількості лопатей (z), коефіцієнта швидкості (λ), коефіцієнта підйому (ca) обраного профілю та радіуса (R) ротора. Оптимальна глибина крила t є функцією радіуса r.
«Однак ці умови, - продовжує Нільс, - не можуть бути створені на будь-якому крилі. Коли повітря протікає над крилом, воно натирається об поверхню і сповільнюється. Якщо крило занадто широке, уповільнене повітря створює величезний опір потоку. Це також гальмує літак у напрямку руху (і ротор вітрової сили в напрямку обертання). Однак явище застою ще гірше: якщо крила сконструйовані занадто широко, повітря на крилі може бути уповільненим до такої міри, що потік вже не прекрасно упирається в поверхню, а відокремлюється. А це призводить до значної втрати плавучості ".
Або як пише інженер суднобудування Лукка: «Якість крила можна чітко виразити відношенням підйому до опору, що призводить до так званого коефіцієнта ковзання. Відомо, що крила мають особливо хороші пропорції ковзання, коли вони надзвичайно тонкі (наприклад, у планерах, де тонкий означає відношення розмаху крил до довжини хорди) ".
"Отже, ідеально спроектовані лопаті створюють велику силу підйому, не створюючи занадто великого опору, - говорить Нільс. - Навпаки, справа у занадто широких лез. Тепер ви можете задати наступне запитання, чому ви не використовуєте багато вузьких листків, щоб покрити більшу площу та створити більшу силу. Ці багато лопатей (або навіть декілька дуже широких), в свою чергу, забезпечували б велику область опору, і вітер накопичувався б перед ротором, що призводило до зниження швидкості потоку на лопатях. Однак для збільшення підйому важливо мати високі швидкості потоку, тому використовується менше крил, щоб не сильно уповільнювати вхідний вітер. Ці аеродинамічні міркування, а також бажання використовувати якомога менше матеріалу і не допустити, щоб навантаження на маточину ротора ставали занадто великими, забезпечували перевагу турбін із рівно трьома порівняно вузькими лопатями ".
Інженер Ф. пояснює: «Для максимально ефективної роботи вітряних турбін (так званий коефіцієнт потужності Беца) визначальним є відношення початкової швидкості вітру перед системою до швидкості вітру позаду системи. Кількість листків, які перетворюють енергію потоку повітря в енергію обертання, відіграє підпорядковану роль. Є концепції зі значно більшою кількістю лопатей, але вони тоді працюють з різною швидкістю, ніж трилопатеві вітрогенератори. Вирішальним фактором є лише площа, яку охоплює ротор, оскільки це визначає потужність, яку можна отримати від вітру ".
Він цитує стандартну роботу з технології вітроенергетики "Вітроелектростанції - основи, проектування, планування та експлуатація", під редакцією Роберта Гаша та Йохена Твеле: "Висока частка ротора в загальних витратах станції (20-25 відсотків) говорить про найменшу можливу кількість лопатей загальні витрати) '[Гаш і Твіле, Віндкрафтанлаген, 2010]. Крім того, завдяки «розподілу маси та повітряних сил по площі ротора,« трилопатеві ротори »динамічно тихіші, що призводить до нижчого навантаження на всі компоненти» [Gasch and Twele, Windkraftanlagen, 2010] ».
Коротко узагальнено словами Рейнгольда: «Площа ротора не має значення для продуктивності. Площа, покрита лопатями ротора, є визначальною ".
Дякуємо за відповіді на Нільса, Лукку, Ф., Тома, Д., Маркуса, Йонаса, Мартіна, М., Маркуса, Дагоберта, Гілерме, Ернста, Гаральда, Пітера, Ісмаеля та Рейнгольда.