SMG-4500 Tuulivoima. Kolmannen luennon aihepiirit TUULEN TEHO

HTML
DOWNLOAD

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "SMG-4500 Tuulivoima. Kolmannen luennon aihepiirit TUULEN TEHO"

Julia Hänninen
9 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 SMG-4500 Tuulivoima Kolmannen luennon aihepiirit Tuulen teho: Betzin lain johtaminen Tuulivoimalatyypeistä: Miksi vaaka-akselinen, miksi kolme lapaa? Aerodynamiikkaa: Tuulivoimalan roottorin lapasuunnittelun perusteet 1 TUULEN TEHO Betzin laki mallintaa teoreettista ylärajaa sille teholle, joka pinnan läpi virtaavasta ilmasta on saatavissa. Idea on, että tuulen nopeus pienenee, kun pinnan läpi virtaavasta ilmasta otetaan tehoa. Jos tehoa ei oteta ollenkaan, ilmavirta ei hidastu. Tällöin v 2 = v 1. Toisaalta teho on nolla myös silloin, jos ilmavirta pysähtyy kokonaan. Tällöin v 2 = 0 m/s. Haetaan se v 2 :n arvo, jolla tuulesta saatava teho on suurin mahdollinen. 2 1

virtaavasta ilmasta on saatavissa. Idea on, että tuulen nopeus pienenee, kun pinnan läpi virtaavasta ilmasta otetaan tehoa.

2 TUULIVOIMALATYYPEISTÄ Tuulivoimalat jaetaan roottorin akselin asennon perusteella vaaka-akselisiin (HAWT) ja pystyakselisiin (VAWT) voimaloihin. Oheisen kuvan kokoluokan molemmat voimalatyypit pystyvät teoriassa tuottamaan noin 200 kw:n sähkötehon. Mietitään seuraavassa sitä, miksi nykyaikaiset voimalat ovat pääasiassa vaaka-akselisia. 3 PYSTYAKSELISET TUULIVOIMALAT (1/2) Keksijänsä perusteella nimetty Darrieus-roottori on pystyakselisista tuulivoimalatyypeistä yleisin. Maailmalla on tänä päivänä muutama kokoluokkaa kw oleva voimala käytössä, mutta suuren kokoluokan pystyakselisiin voimaloihin liittyvä tutkimus on käytännössä loppunut. Suomalaisen Sigurd Savoniuksen kehittämä Savoniusroottori on toinen esimerkki pystyakselisesta tuulivoimalasta. Savonius-roottoreita käytetään tänä päivänä käytännössä vain pienen kokoluokan voimaloissa esimerkiksi kesämökeillä. 4 2

3 PYSTYAKSELISET TUULIVOIMALAT (1/2) Keksijänsä perusteella nimetty Darrieus-roottori on pystyakselisista tuulivoimalatyypeistä yleisin.

3 PYSTYAKSELISET TUULIVOIMALAT (2/2) Pystyakselisilla tuulivoimaloilla on joitakin etuja vaaka-akselisiin nähden: Voimalaa ei tarvitse suunnata tuulen suunnan muuttuessa. Generaattori ja vaihteisto voidaan asentaa maahan. Huonoja puolia on kuitenkin enemmän kuin etuja: Heikohko suorituskyky ja luotettavuuden puute. Rakenteeseen liittyvät mekaaniset ongelmat lapoihin ja niiden kiinnityksiin liittyen. Lisäksi tarvitaan järeät harusvaijerit voimalan tukemiseen. 5 VAAKA-AKSELISET TUULIVOIMALAT (1/3) Vaaka-akselisessa tuulivoimalassa roottorin on käännyttävä tuulen suunnan mukaisesti. Yleisimmin roottori on tuulen suuntaan nähden tornin etupuolella (upwind), mutta joissain ratkaisuissa roottori on tornin takana (downwind). Kun downwind-ratkaisussa lavat asetetaan kartion muotoon, teoriassa roottori kääntyy automaattisesti tuulen suunnan muuttuessa. Käytännössä roottori ei kuitenkaan moitteettomasti seuraa tuulen suuntaa. Toinen merkittävä downwind-tekniikan ongelma on tornista aiheutuva häiriö ilmavirtaukseen. Se heikentää voimalan suorituskykyä ja aiheuttaa ylimääräisten turbulenssien seurauksena mekaanisia ongelmia. 6 3

Rakenteeseen liittyvät mekaaniset ongelmat lapoihin ja niiden kiinnityksiin liittyen. Lisäksi tarvitaan järeät harusvaijerit voimalan tukemiseen.

4 VAAKA-AKSELISET TUULIVOIMALAT (2/3) Upwind-ratkaisu on käytännön syistä toimivampi kuin downwind. Pienet voimalat kääntyvät tuulen suuntaan passiivisesti peräsimen avulla, mutta suuremmat voimalat tarvitsevat aktiivisen ohjauksen. Mutta miksi lapoja on kolme kappaletta? Taloudellisesti ajateltuna yksilapainen on paras vaihtoehto. Jotta yksilapainen voimala ottaa tuulesta saman energian kuin n-lapainen, pyörimisnopeuden on oltava n-kertainen. Suuri pyörimisnopeus yksinkertaistaa vaihteistoa, mikä entisestään laskee kustannuksia. Aerodynamiikan kannalta paras vaihtoehto on mahdollisimman monta ohutta lapaa. Mitä nopeammin roottori pyörii, sitä suuremmiksi aerodynaamiset häviöt kasvavat. 7 VAAKA-AKSELISET TUULIVOIMALAT (3/3) Yksinkertaisuudestaan huolimatta yksilapainen ratkaisu ei ole paras mahdollinen. Pyörimisliikkeeseen liittyvä dynaaminen stabiilisuus on kasvaa lapojen lukumäärän kasvaessa. Samalla mekaaniset ongelmat ja voimalan tuottama melu vähenevät. Lavan kärjessä tapahtuvat aerodynaamiset häviöt pienenevät lapojen lukumäärän kasvaessa. Yksilapaisen voimalan lapa ei ole materiaalikustannuksiltaan juurikaan halvempi kuin kolmilapaisen voimalan kolme lapaa. Ainoan lavan on suuremman pyörimisnopeuden ja suurempien aerodynaamisten rasitusten vuoksi oltava mekaanisesti huomattavasti vahvempi kuin monilapaisen voimalan yhden lavan. Toisaalta lapojen lukumäärän kasvattaminen kolmesta ylöspäin ei tuo merkittäviä teknisiä hyötyjä. Kolmilapainen voimala on hyvä kompromissi aerodynaamisesti, mekaanisesti ja taloudellisesti. 8 4

Taloudellisesti ajateltuna yksilapainen on paras vaihtoehto. Jotta yksilapainen voimala ottaa tuulesta saman energian kuin n-lapainen, pyörimisnopeuden on oltava n-kertainen.

5 TUULIVOIMALAN AERODYNAMIIKAN PERUSTEITA Tuulivoimalan lapasuunnittelu on siinä määrin monimutkainen aihepiiri, että siitä voisi helposti rakentaa oman kurssinsa. Tällä kurssilla pyritään hakemaan virtausopilliset perustelut tuulivoimalan lavan muodolle. Miksi lavassa on kierrettä pituusakselin suhteen? Miksi lapa kapenee kärkeä kohti mentäessä? 9 NOSTOVOIMA JA VASTUSVOIMA (1/2) Äkkiä ajatellen voisi luulla, että tuulen vauhti on tuulesta energiansa saavien laitteiden maksimivauhti. Tämä ei kuitenkaan pidä paikkaansa, sillä esimerkiksi purjevene voi liikkua suuremmalla vauhdilla kuin tuuli. Mielenkiintoista on, että purjevene liikkuu nopeammin tuulen suuntaa vastaan kohtisuorasti kuin tuulen suunnassa. Tuulen vauhtia suurempi purjeveneen vauhti voidaan selittää käsitteillä nostovoima ja vastusvoima. Lavan ohi virtaava ilma aiheuttaa sekä nosto- että vastusvoiman. Kun laitat kätesi ulos liikkuvan auton ikkunasta Nostovoima pyrkii nostamaan kättäsi ylöspäin. Vastusvoima pyrkii työntämään kättäsi taaksepäin. 10 5

9 NOSTOVOIMA JA VASTUSVOIMA (1/2) Äkkiä ajatellen voisi luulla, että tuulen vauhti on tuulesta energiansa saavien laitteiden maksimivauhti.

6 NOSTOVOIMA JA VASTUSVOIMA (2/2) Työntövoima syntyy nosto- ja vastusvoiman yhteisvaikutuksesta. Työntövoima on purjeveneessä suurimmillaan, kun liikutaan kohtisuorasti tuulen suuntaan nähden. Vastaavasti tuulivoimalassa työntövoima on suurimmillaan, kun lapojen pyörimisliike on kohtisuorassa tuulen suuntaan nähden. Lapaprofiilin suorituskykyä mitataan yleisesti nostovoiman ja vastusvoiman suhteella. Kun suunnitellaan nykyaikaista, korkean suorituskyvyn tuuliturbiinia, lapaprofiililta halutaan suuri nosto- ja vastusvoiman suhde. Nosto- ja vastusvoiman suhde riippuu merkittävästi kohtauskulmasta, jolla tarkoitetaan lavan jänneviivan ja suhteellisen tuulen nopeuden välistä kulmaa. 11 SUHTEELLINEN TUULEN SUUNTA JA KOHTAUSKULMA 12 6

Vastaavasti tuulivoimalassa työntövoima on suurimmillaan, kun lapojen pyörimisliike on kohtisuorassa tuulen suuntaan nähden.

7 KÄRJEN NOPEUSSUHDE Jotta kohtauskulma pysyy optimaalisena kiinteän kaltevuuskulman roottoreissa, lavan pyörimisnopeuden on kasvettava tuulen nopeuden kasvaessa. Toisin sanoen kärjen nopeussuhteen on pysyttävä vakiona, jotta aerodynaaminen suorituskyky säilyy mahdollisimman korkeana. Kärjen nopeussuhteella tarkoitetaan lavan kärjen nopeuden ja tuulen nopeuden osamäärää. Käytännössä kaikki pienen kokoluokan tuulivoimalat suunnitellaan siten, että kärjen nopeussuhde pysyy vakiona olosuhteista riippumatta. Suuremman kokoluokan voimaloissa, joissa käytetään epätahtigeneraattoreita, roottori pyörii vakionopeudella olosuhteista riippumatta. Tällöin aerodynaaminen toiminta optimoidaan tietylle tuulen nopeudelle, ja kun kohtauskulma kasvaa tuulen nopeuden kasvaessa, sakkaussäätö suojaa lapoja myrskytuulilla. 13 PERUSTELUT LAVAN KIERTEELLE Jotta kohtauskulma pysyy muuttumattomana koko lavan matkalta, lavassa on oltava kierrettä pituusakselin suhteen. Kohtauskulma saadaan pidettyä vakiona koko lavan matkalla, kun kierre on maksimissaan lavan tyvessä ja minimissään lavan kärjessä. Oheisessa 1.65 MW:n tuulivoimalan lavassa kierre on 13 o lavan tyvessä ja 0 o lavan kärjessä. 14 7

Kärjen nopeussuhteella tarkoitetaan lavan kärjen nopeuden ja tuulen nopeuden osamäärää.

8 PINTASUHTEEN (SOLIDITY) VAIKUTUS Pintasuhteella tarkoitetaan lapojen pinta-alan suhdetta siihen pinta-alaan, jota lavat pyöriessään pyyhkäisevät. Mitä suurempi pintasuhde on, sitä suuremman vääntömomentin turbiini tuottaa. Kun tuulivoimaa käytetään esimerkiksi veden pumppaamiseen, suuri vääntömomentti alhaisilla tuulen nopeuksilla on tärkeää. Sähköenergian tuotannossa tuulivoimalan taloudellinen kannattavuus on oleellisen tärkeää. Suuri pintasuhde kuluttaa niin paljon materiaalia, että kustannustehokkuus kärsii. Tuulesta saatava teho ei riipu merkittävästi pintasuhteesta. Nykyaikaisessa tuulivoimalassa lavat kapenevat kärkeä kohti siksi, että mahdollisimman suuri osa lavan massasta saadaan pidettyä lähellä roottorin keskipistettä. 15 8

Kun tuulivoimaa käytetään esimerkiksi veden pumppaamiseen, suuri vääntömomentti alhaisilla tuulen nopeuksilla on tärkeää.

Samankaltaiset tiedostot

SMG-4500 Tuulivoima. Neljännen luennon aihepiirit. Tuulivoimalan rakenne. Tuuliturbiinin toiminta TUULIVOIMALAN RAKENNE

SMG-4500 Tuulivoima. Neljännen luennon aihepiirit. Tuulivoimalan rakenne. Tuuliturbiinin toiminta TUULIVOIMALAN RAKENNE SMG-4500 Tuulivoima Neljännen luennon aihepiirit Tuulivoimalan rakenne Tuuliturbiinin toiminta Turbiinin teho Nostovoima ja vastusvoima Suhteellinen tuuli Pintasuhde Turbiinin tehonsäätö 1 TUULIVOIMALAN