Rotor Aerodynamica
door F.Broekhuijzen
ROC Flevoland – ROC Amsterdam
Aerodynamica van de windturbine
De rotor bladen en de gondel zijn bij de moderne windturbine voor de wind geplaatst vanwege de turbulenties die ontstaan achter de mast die van invloed kan zijn op het rotorgedrag. Bovenstaande infrarood foto spreekt voor zich.
Windturbine componenten
Waardoor gaat de rotor draaien
Het antwoord lijkt logisch door de kracht van de wind! Maar eigenlijks is het gecompliceerder dan dat alleen de wind de kracht overbrengt om de rotor te laten draaien. Er komen ook nog wat natuurkundige aspecten bij kijken. De moderne windturbines leent de aerodynamische technieken van de vliegtuigindustrie, plus een aantal geavanceerde truckjes van de windindustrie zelf, omdat windturbines meer afhankelijk zijn van windrichting en windsnelheid dan een vliegtuig.
Lift
Op de foto zien we een doorsnede van een vliegtuigvleugel waarop een luchtstroom van links naar rechts gaat, de onderkant van de vleugel is recht en de bovenkant gebold. Dus de luchtstroom heeft aan de bovenkant een langere weg te gaan dan aan de onderkant. Hierdoor ontstaat er een luchtdrukverschil waardoor er een opwaartse zuiging (lift) ontstaat. Bij het volgende plaatje wordt een proef gedaan waardoor je goed kan zien wat er gebeurd. Dit is uiteindelijk het basisprincipe waardoor een rotor gaat draaien.
Het balletje wordt mee omhoog gezogen door de buis.
De reden dat een vliegtuig kan vliegen komt omdat de wind langs het bovenoppervlak sneller gaat dan het onderoppervlak. Dit betekent dat de luchtdruk aan het bovenoppervlak van de vleugel lager is dan het onderoppervlak. Dit creëert de lift, dat wil zeggen de opwaartse trekkracht dat ervoor zorgt dat het vliegtuig kan vliegen. De lift staat haaks op de windrichting. Het lift verschijnsel is al door de eeuwen heen bekend onder dakwerkers (dakbedekking wordt er bij storm van het dak af gezogen en niet geblazen) en denk ook aan de boemerang.
Overtrek (Stall)
Wat gebeurt er als een vliegtuig achterover hangt terwijl het probeert snel hoger te stijgen? De lift van de vleugel zal inderdaad toenemen als de vleugel naar achter gericht staat, Als de vleugel te ver achter over staat zal de luchtdruk zijn grip verliezen op de vleugel en rondgaan in een onregelmatige turbulentie, waardoor plotseling de lage luchtdruk van het bovenste vleugeloppervlak verdwijnt. Dit fenomeen staat bekent als overtrek. (stall ) Als het vliegtuig zijn snelheid verlaagt of weer recht gaat vliegen zal de lift zich weer herstellen. Dit fenomeen ontstaat helaas niet geleidelijk maar altijd plotseling. Zo kan een vliegtuig dus plotseling uit de lucht vallen.
Bij windmolens kan ook stall optreden als de wind bijvoorbeeld snel van richting of van snelheid veranderd. Door de snelheid van een vliegtuig zal de wind meestal van voren komen, maar een windturbine staat stil en zal sneller op de windrichting moeten reageren. Ook bij harde windstoten zal een stall effect optreden op de rotorbladen.
TOEGEVOEGDE WINSNELHEDEN EN WINDRICHTINGEN
De wind die de rotorbladen raakt komt niet uit de tegenovergestelde richting zoals men zou denken dit komt omdat de draaiende rotorbladen van invloed zijn op de winrichting. Om dit te begrijpen kijken we naar de foto van de fiets die uitgerust is met een windvaantje die de windrichting aangeeft bij volkomen windstilheid. Als de fiets zich verplaats met b.v een snelheid van 7 meter per seconde is de windsnelheid 7ms in verhouding met de fiets. De windvaan zal naar achteren wijzen want de wind komt recht van voren.
Laten we ons voorstellen dat we de fiets van boven bekijken en dat deze zich voortbeweegt met een constante snelheid van nogmaals 7ms, als de windrichting van rechts komt met de zelfde snelheid zal de windvaan schuin naar links wijzen.( 45 graden) Met wat minder zijwind b.v. 5ms zal de hoek van de windvaan wat minder zijn (35 graden).
Rotor Aerodynamica
Om te begrijpen hoe de wind zich beweegt ten opzichte van de rotorbladen van de winturbine hebben we rode linten aan het uiteinde van de rotorbladen bevestigd en gele ¼ vanaf de neuskegel. Zoals de foto toont zullen de rode linten gelijk staan aan de richting van de rotorbladen en de gele linten meer naar achter wijzen dit wordt veroorzaakt door de middelpuntvliedende kracht, zo is de snelheid van de tip van de rotorblad zeg 64 m’s vele malen groter dan de gele linten die op ¼ afstand van de neuskegel bevestigd zijn ( 16 m’s) Zoals de linten aanwijzen, zo zal de wind zich ook gedragen.
De snelheid van de wind op de tip van de het rotorblad is zo’n 8 maal groter dan de windsnelheid die de voorkant van turbine raakt.
Waarom zijn rotorbladen getordeerd:
Het zal duidelijk zijn dat als we de rotorbladen zo zouden maken als een vliegtuigvleugel en de rotorbladen staan horizontaal, dan zou de windturbine op willen stijgen net zo als een vliegtuig. Daarom moeten de rotorbladen zo ontwikkeld worden dat de kracht van de wind in een roterende beweging omgezet wordt. Om dit te bereiken moet er rekening gehouden worden met de lift en stall en de middelpuntvliedende kracht. Dit wordt bereikt door de rotorbladen te torderen ( twisted) waardoor de windkrachten als het waren zich van binnen naar buiten toe afwikkelen over het rotorblad. Waarbij de stand van het rotorblad altijd zo zal moeten staan om het nominale vermogen van de turbine zoveel mogelijk constant te houden.
Kijk hier ook eens naar:
De verandering van windsnelheid/windrichting ten opzichte van het rotorblad
Rotorblad materialen:
De meeste rotorbladen voor grote windturbines zijn gemaakt van glasvezel versterkte kunststoffen (GPR) glas fibre reinforced polyester of epoxy. Het gebruik van carbon fiber of aramide (Kevlar) als versterking van het materiaal is een andere mogelijkheid, maar het is meestal niet rendabel voor de wat grotere turbines. Hout,hout-epoxy of houtvezel-epoxy composieten zijn nog niet doorgedrongen in de markt voor rotorbladen al zijn er wel ontwikkelingen op dit gebied. Staal en aluminium legeringen hebben problemen met gewicht en metaalmoeheid, deze worden wel gebruikt voor de kleinere windturbines.
Vermogens controle: (power-control)
Wind turbines zijn ontworpen om zo goedkoop mogelijk elektrische energie op te wekken. Vandaar dat de meeste windmolens zo ontworpen zijn dat zij het maximale vermogen leveren bij een winsnelheid van ongeveer 15 meter per seconde (30 knopen of 33 mph) Hogere windsnelheden zijn zeldzaam en dus niet lonend. Dus bij hogere windsnelheden moet een deel van de windenergie afgevoerd worden om schade aan de windturbine te voorkomen. Daarom zijn alle windturbines ontworpen met een vermogens controle . Er zijn twee verschillende manieren om dit veilig te doen op windturbines.
Pitch gecontroleerde windturbines:
Op een pitch gecontroleerde machine wordt het vermogen een aantal keren per seconde gemeten. Als het vermogen te hoog wordt geeft de controller een bevel om de pitch van het rotorblad te draaien zodat de stand van het rotorblad meer uit de wind komt te staan. Als het vermogen zakt gebeurt het tegenovergestelde. Meestal zal dit hydraulisch bediend worden en vereist een hoge precisie omdat de windsnelheid snel kan variëren en de machine daar meteen op moet kunnen reageren om een stabiele stroomopwekking te kunnen realiseren.
Passief Stall gecontroleerde windturbines:
Bij stall gecontroleerde windturbines zijn de rotors zo ontwikkelt dat bij hogere windsnelheid stall ontstaat door turbulentie en dus lift verliest en zo de rotor in toeren verlaagt.
Aktief stall gecontroleerde windturbines:
Er worden steeds meer grotere windturbines ( 1mw en groter) voorzien van actief stall gecontroleerde systemen. Technisch gezien lijken deze machines op pitch gecontroleerde machines. Want ook deze turbines hebben verstelbare bladen om een redelijk groot koppel te krijgen bij lage windsnelheden. (vaak gebruiken ze slechts een paar vaste stappen, afhankelijk van de windsnelheid) Wanneer de machine over zijn nominale vermogen raakt zullen de rotorbladen zich in tegenovergestelde richting draaien als wat een pitch gecontroleerde machine doet. Dus de rotorbladen keren zich juist in de wind waardoor er meer stall en wervelingen ontstaat die de kracht uit de wind verlaagt.
Een van de voordelen van actieve stall is dat de vermogens controle nauwkeuriger is dan bij passief stall controle. De machine wordt minder overbelast bij het begin van een windvlaag. Een ander voordeel is dat de machine ook bij hogere windsnelheden zijn nominale vermogen haalt, in vergelijking met de passief gestuurde machines. Deze zullen meestal vermogen verliezen bij een te hoge windsnelheid.
Andere methoden vermogens controle:
Vooral bij de kleinere windturbines komen andere systemen voor, bv. Kleppen (flaps) die door de middelpuntvliedende kracht uit gaan staan en zo de stand van de bladen veranderen. Maar ook van staartroeren wordt gebruikt gemaakt die bij harde wind wegklappen of gedeeltelijk wegklappen en die de turbine meer uit de wind draaien. (vooral bij harde wind om overbelasting te voorkomen.)
Het Yaw mechanisme:( Kruien )
(Gieren genoemd in de luchtvaart en kruien genoemd bij de oud Hollandse windmolens) Alle HAWT worden op een of andere manier gedwongen om tegen de wind in te draaien (gieren). Bij de grotere turbines gebeurt dit met het Yaw systeem Dit wordt in werking gezet met behulp van Electro motoren die vervolgens weer aangestuurd worden door de controller en windvaan. Onderste foto laat een yaw mechanisme zien van een typische 750 KW machine van onderaf gezien.
Onderstaande foto laat een remsysteem zien die gebruikt wordt om de yaw te vergrendelen als de machine niet in gebruik is en bij onderhoud.
Yaw fout:
The windturbine heeft een zogenoemde Yaw fout als de turbine niet haaks op de wind wordt gericht. Het resultaat is dat niet het volledige vermogen uit de wind kan worden gehaald. Als dit het enige zou zijn wat er gebeurde zou dit een prima manier zijn om het vermogen te beïnvloeden. Maar helaas het rotorblad dat het dichts tegen de windrichting staat krijgt zoveel krachten te verduren dat het rotorblad meer gaat torderen en zo instabiliteit creëert maar ook zal de turbine zich door het verschil in kracht op de roters zich zelf in de wind willen zetten en zo weer teveel krachten op het Yaw mechanisme overdraagt.
Kabel slagenteller:
Stroomkabels transporteren de opgewekte stroom van de windturbinegenerator naar beneden door de mast. Als de turbine steeds de zelfde kant op zou draaien zal de kabel gaan torderen. Daarom wordt door de controller de slagen geteld en zal bij een bepaald aantal slagen in actie komen. Zo kan het gebeuren dat een windturbine doelloos om zijn as lijkt te draaien maar in werkelijkheid haalt het de slagen weer uit de kabel.