Aerodynamika wirnika

1. Technologie lotnicze w energetyce wiatrowej
Współcześnie konstruowane turbiny wiatrowe bazują na wielu osiągnięciach techniki lotniczej. Profile lotnicze np. typu NACA1) często stosowane są w wirnikach nowoczesnych siłowni wiatrowych. Przemysł lotniczy i produkcja elementów siłowni wiatrowej mają wiele wspólnych wymagań co do warunków w jakich przebiega ich eksploatacja. Przebiega ona zarówno w lotnictwie jak i elektroenergetyce wiatrowej przy zmiennych prędkościach i kierunkach wiatru.

2. Siła nośna
Siła nośna powstaje, gdy powietrze opływające górną część skrzydła ma większą drogę do pokonania, a więc porusza się szybciej, dzięki czemu ciśnienie jest mniejsze niż na dolnej części skrzydła. Obrazuje to poniższa animacja. Na animacji przedstawiony jest przekrój łopaty wirnika elektrowni wiatrowej. Specyfika profilu powoduje, że powietrze ślizgające się wzdłuż górnej powierzchni porusza się szybciej niż wzdłuż powierzchni dolnej. Oznacza to, że ciśnienie na górnej powierzchni będzie niższe niż na dolnej. Tworzy to siłę nośną, która działając na skrzydło utrzymuje samolot w powietrzu. Jest ona prostopadła do kierunku wiatru.Ta sama siła, która utrzymuje w powietrzu samolot powoduje, że wirnik elektrowni wiatrowej obraca się na wietrze.

3. Przeciągnięcie [Stall]
W sytuacji, gdy skrzydło ulegnie pochyleniu do tyłu szybkość strumienia powietrza na górnej części skrzydła wzrośnie, co z kolei powoduje wzrost siły nośnej. Po przekroczeniu pewnego kąta natarcia (jest to umowny kąt zawarty pomiędzy kierunkiem strumienia powietrza a osią podłużną skrzydła), zwanego krytycznym, nastąpi oderwanie strug powietrza na górnej części skrzydła, co powoduje zanik siły nośnej.
Zjawisko to określamy przeciągnięciem (stall), czasami nazywa się to też „utknięciem”.

4. Wielkość siły nośnej
Wypadkowa siła aerodynamiczna określana jest poprzez swoje dwie składowe. Pierwszą składową jest kładowa nośna Pz, która jest prostopadła do wypadkowego kierunku wiatru, natomiast druga składowa – oporowa Px tworzy opór równoległy do wypadkowego kierunku wiatru.

Wielkości siły nośnej oraz siły określają poniższe wzory :

Pz = 0,5(Cz S rho v2)

Px = 0,5(Cx S rho v2)


gdzie: S – powierzchnia łopaty, rho – gęstość powietrza, v – prędkość wiatru.

Występujące w tym równaniu współczynniki siły nośnej Cz i siły oporowej Cx uzależnione są od kształtu profilu stosowanego w danym modelu siłowni. Współczynniki te są funkcją kąta natarcia wiatru na łopaty wirnika siłowni wiatrowej.

5. Przepływ powietrza przez łopaty wirnika
Większość turbin wiatrowych pracuje ze stałą prędkością obrotową. Szybkość z jaką końcówki łopat przecinają powietrze wynosi około 64 m/s, natomiast prędkość w środku piasty wynosi zero. Wypadkowy kierunek powietrza jaki uderza o łopaty wirnika jest inny niż kierunek wiatru wiejący w danym terenie. Stan taki ma miejsce zawsze poza sytuacją kiedy to wirnik pozostaje nieruchomy. W 1/4 długości łopaty prędkość ma wartość około 15 m/s. Przyjmując za punkt odniesienia łopatę wirnika podążając wzdłuż niej do środka aż ku końcowi wiatr opływa płat pod coraz większym kątem. To właśnie z tego powodu łopata wirnika musi być skręcona w celu utrzymania optymalnego kątu natarcia na całej długości.

6. Gęstość energii wiatru
Wiatr jest formą energii jaka może być przekształcona w użyteczną energię elektryczną. Na ilość energii elektrycznej produkowanej przez turbiny wiatrowe wpływa wielkości energii wiatru, jaki przepływa przez łopatki turbiny w jednostce czasu. Przepływ tej energii nosi określenie gęstości energii wiatru.

Słowniczek

1)NACA (ang. National Advisory Committee for Aeronautics) – amerykański komitet doradczy do spraw aeronautyki powołany 3 marca 1915 roku w celu prowadzenia, wspierania i promowania prac badawczych z dziedziny aeronautyki. Z dniem 1 października 1958 roku komitet ten został rozwiązany a jego struktury stały się częścią nowo utworzonej NASA.

Źródło:
„Zależność między poziomem rozwoju energetyki odnawialnej a produkcją urządzeń dla wybranych OŹE w różnych krajach” Paweł Pociask

admin

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *