Tuulivoimatekniikka .


55 views
Uploaded on:
Category: Education / Career
Description
Tuulivoimatekniikka. Erkki Haapanen Versio 1.02 20.05.2004. TUULIVOIMALAN MÄÄRITELMÄ. Tuulivoimala muuttaa tuulen liikeenergian mekaaniseksi tai sähköenergiaksi
Transcripts
Slide 1

Tuulivoimatekniikka Erkki Haapanen Versio 1.02 20.05.2004 Erkki Haapanen

Slide 2

TUULIVOIMALAN MÄÄRITELMÄ Tuulivoimala muuttaa tuulen liikeenergian mekaaniseksi tai sähköenergiaksi Tuulipuistoksi kutsutaan aluetta, jolla on useita toisiinsa liitettyjä tuulivoimaloita, ja jotka kytkeytyvät yhtenä kokonaisuutena sähköverkkooon Erkki Haapanen

Slide 3

TUULIVOIMALAN KOKO Tuulivoimalan kokoa voidaan kuvata nimellisteholla pyyhkäisypintaalalla tai potkurin halkaisijalla vuosituotolla napakorkeudella painolla Koon merkitys tuotto on suoraan verrannollinen pyyhkäisypintaalaan tuotto paranee napakorkeuden kasvaessa Tuulivoimalan koon kasvu vv. 1980 2002 nimellisteho vuosituotto pyyhkäisypintaala korkeus paino Erkki Haapanen

Slide 4

TUULIVOIMALOIDEN LUOKITTELUPERUSTEET Käyttötarkoitus Rakenne Lapaluku Toimintaperiaate Tehon säätö ja rajoitustapa Tuulivoimalat voidaan luokitella hyvin monella tavalla. Luokitteluperusteena voi olla voimalan käyttötarkoitus, toimintaperiaate, erilaiset rakenneratkaisut jne. Seuraavassa on esimerkkejä erilaisista luokittelutavoista . Erkki Haapanen

Slide 5

Tuulivoimalan koon kasvu Erkki Haapanen

Slide 6

Käyttötarkoituksen mukainen luokittelu, Käyttötarkoituksen mukaan Sähkön tuotanto Energian tuotanto voimaverkkoon Talouskohtainen energian tuotanto Akkujen lataus Veden pumppaus Talous ja käyttövesi Kastelujärjestelmät Maaalueiden kuivaus Viljan jauhaminen Lankkujen sahaus Erkki Haapanen

Slide 7

Rakennetyypin mukainen luokitus Vaaka-akseliset etutuulipotkuri takatuulipotkuri Pystyakseliset Savonius Darreius Kuppiroottori Erkki Haapanen

Slide 8

Pystyroottoreita Savoniusroottori Käyttö: Veden pumppaus Lähde: Gourièré, D. Wind Power Plants, Theory and Design Pergamon Press GmbH, Frankfurt 1982 Persialainen viljamylly Käytetty n. 600 - 900 luvuilla viljan jauhamieseen Lähde: Robert Gasch. Windkraftanlagen, B.G. Teubner, Stuttgart Windside-roottori Käyttö: Akkujen lataus Lähde: Valmistajan esite Darreiusroottori Käyttö sähkön tuotanto Lähde: Robert Gasch. Windkraftanlagen, B.G. Teubner, Stuttgart Erkki Haapanen

Slide 9

Vaaka-akselisia tuulivoimaloita Oasis 3 Valmistaja WindTech, USA Käyttö: Veden pumppaus Viljan jauhannassa käytetty myllytyyppi Akkujen latauksessa käytettävä pienvoimala Erkki Haapanen

Slide 10

Lapaluvun mukainen luokitus Monilapaiset (6 tai useampi) Käyttö kaivopumppuina Nelilapainen Viljan jauhaminen Kolme yksi lapaa Käyttö energian tuotannossa Miksi kolme lapaa? Potkuri on pyörähdyssymmetrisensti tasapainossa Massahitausvoimat ovat tasapainossa kaikkien akseleiden suhteen Visuaalisesti miellyttävän näköinen Vähemmän kuin kolme lapaa aiheuttaa tuuleen käännettäessä koneistoa rasittavaa tärinää, joka johtuu massahitausvoimien eroista vaaka ja pystyakselin suhteen. Tuuleen käännettäessä kaksi tai yksilapaisessa potkurissa kääntö sujuu kevyesti, kun lapa on pystyssä, mutta estyy lähes kokonaan, kun lapa on vaakaasennossa. Tämä on samanlainen ilmiö kuin piruetissa, jossa esiintyjä pyörii hyvin nopeasti, kun kädet ovat vartalossa kiinni tai pyörintäakselilla mutta pyöriminen lähes pysähtyy, kun hän levittää kätensä. Enemmän kuin kolme lapaa maksaa enemmän kuin kolme mutta ei anna enempää tuottoa. Erkki Haapanen

Slide 11

Toimintaperiaatteen mukainen luokitus Pyörittävä momentti syntyy lavan nostovoiman ansiosta kuten lentokoneen siivessä Osittain nostovoiman ja vastuksen avulla Savonius, Windside ja Jaspira siipien välisestä vastuserosta (Kuppiroottori) Erkki Haapanen

Slide 12

Vastuserolla toimivat voimalat Tässä tyypissä tuulivoimalan turbiini muodostuu pyörivästä kehästä, jonka akseli on tuulta vastaan kohtisuoraan. Kehällä on kuppeja, siipiä pusseja tai muita laitteita, joiden tarkoituksena on vastustaa mahdollisimman tehokkaasti tuulta pyörimiskehän toisella sivulla ja palata alkuasentoon tuulen yläpuolelle mahdollisimman huomaamattomasti ja vähän vastusta aiheuttaen. Turbiinin siipeen kohdistuva voima perustuu siiven vastukseen tuulen ohittaessa sen ja voima suuntautuu myötätuuleen. Turbiinin siiven vastuskerroin on suuri silloin, kun siipi kulkee myötätuuleen ja pieni siiven palatessa vastatuuleen. Tuuli kohtaa turbiinin pinnan jyrkässä kulmassa ja synnyttää voiman, joka on sitä suurempi mitä isompi nopeusero turbiinin pinnan ja tuulen välillä vallitsee. Tästä johtuu, että turbiinin pyörimisliikkeen kehänopeus jää aina pienemmäksi kuin tuulen nopeus, sillä tuulen nopeutta vastaavalla kehänopeudella ei enää synny turbiinia käyttävää voimaa ja pyöritysmomenttia. Turbiinin palaava, tuulta vasten pyörivä siipi puolestaan aiheuttaa vastusta, joka johtuu suuresta suhteellisesta ilmanopeudesta vaikka vastuskerroin olisikin pieni. Tämän tyypin turbiinit pyörivät pienellä nopeudella sekä ovat teholtaan hyvin heikkoja. Ihannetapauksessa palaavan siipielementin vastus olisi nolla ja tuulen mukana kulkevan taas mahdollisimman suuri. Tämä voimalatyyppi on innoittanut kautta student of history keksijöitä ja kokeilijoita. Toimivia ratkaisuja tunnetaan jo tuhansien vuosien takaa ja aina vain uusia ehdotuksia tuntuu löytyvän. Toimintaperiaatteen huonona puolena on se, että hyötysuhde on parhaimmillaankin vain pari prosenttia, joka verrattuna muihin kuvattaviin malleihin jää todella mitättömäksi. Mielenkiintoisen tapauksen tässä ryhmässä muodostaa ns. kuppianemometri, jota käytetään hyvin yleisesti tuulen nopeuden mittauksessa. Kuppianemometri: Näitä on ilmestynyt tienvarsien tiesääasemille jokaisen ihmeteltäviksi. Kuppianemometriä käytetään, koska se soveltuu hyvin ilman nopeuden mittaukseen sillä äkillisetkään tuulen suunnanmuutokset eivät vaikuta sen näyttöön. Nopeusmittauksessa pyritään hyvin pieneen akselikitkaan, joten anemometri ei tuota tehoa vaan pyörii mahdollisimman vapaasti seuraten herkästi tuulen nopeuden muutoksia. Vapaasti pyöriessä pyörimisnopeus seuraa kohtalaisen tarkasti tuulen nopeutta myös vaihtelevissa tuulissa. Erkki Haapanen

Slide 13

Aerodynaamisesti toimivat turbiinit Turbiinin siipeen kohdistuva voima syntyy ohi virtaavan ilman aiheuttamasta nostovoimasta, joka on kohtisuoraan virtausta vastaan. Voima on sitä suurempi, mitä nopeammin ilma virtaa siiven ohitse. Usein siiven oma pyörimisliike lisää suhteellista nopeutta ilmavirtaan nähden. Tällaiset turbiinit pyörivät usein paljon suuremmalla kehänopeudella kuin vapaan ilman nopeus. Siipi toimii lentokoneen siiven tai purjeen tavoin Savonius-turbiini Savonius-turbiini on suomalaisen Savoniuksen 1930-luvulla kehittämä ja patentoima pystyakselinen tuuliturbiini, jolla on kohtuullinen hyötysuhde ja hyvä vääntömomentti alhaisilla kierroksilla. Se on riippumaton tuulen suunnan vaihtumisesta, mutta käynnistys-ja pyöritysmomentti riippuvat turbiinin asennosta tuulen suhteen ja käynti nykii kierroksen aikana sillä siiven eri asennoissa pyöritysmomentti vaihtelee. Nykimisen vähentämiseksi rakennetaan usein kaksi turbiinia päällekkäin, keskenään 90 asteen kulmaan. Savonius-turbiinissa esiintyy myös varsin voimakkaana poikittaisvoima, joka rasittaa turbiinia ja rakenteita. Suurten voimalaitosten kohdalla Savonius-turbiinin massiivinen koko muodostuu ongelmaksi, sillä sen paino tuotettua energiaa kohden nousee suureksi ja epätaloudelliseksi. Parhaimmillaan Savonius on siellä. missä tarvitaan kohtuullisen pientä tehoa ja pyörimisnopeutta kuten veden pumppauksessa. Yksinkertaisuutensa vuoksi se soveltuu hyvin itserakentajille. Savonius-turbiinin suojaus myrskytilanteessa on tärkeää sillä turbiinin suuri pinta-ala aiheuttaa varsin suuria kuormituksia. Kovilla myrskyillä rakenteen kestävyys voi olla uhattuna sillä epätasainen kuormitus aiheuttaa rakenteeseen värähtelyjä sekä väsytystä. Tuulen nopeuden kasvaessa turbiinin tehokerroin pienenee ja loiventaa vääntömomentin kasvua, mikä vähentää generaattorin ylikuormitttumisvaaraa. Windside-turbiini "Tuuliruuvi " Windside-turbiini on Savonius-turbiinin kehitelmä, jossa on poistettu Savoniuksessa esiintynyt käynnistysmomentin riippuvuus tuulen suunnasta ja käynnin epätasaisuuteen liittyneet ongelmat kiertämällä turbiinia ruuvin tavoin. Turbiini on suomalaisen Windside Oy:n patentoima. Windside Oy on kehittänyt myös generaattorin, joka käytettynä yhdessä WS-turbiinin kanssa ei tarvitse erillistä ylennysvaihdetta. Tällä yhdistelmällä saadaan sähköä myös hyvin pienillä tuulen nopeuksilla, mikä on tärkeää varsinkin akkukäytössä. Keveitä tuulia esiintyy varsin paljon ympäri vuotta ja herkän laitteiston pienikin virrantuotto on akun kestävyyden kannalta edullisempaa kuin olla kokonaan ilman virtaa. Akun lataustilaa voidaan pitää tällä tavoin yllä. Luonnollisesti akusta ei riitä virtaa normaaliin käyttöön pitkinä tuulettomina jaksoina mutta mikäli järjestelmä kykenee antamaan edes sen verran virtaa, että se korvaa akun itsepurkautumisen, niin akusto on aina käyttövalmiina ja latautuneena esimerkiksi viikonloppua varten kesämökillä. Myrskytilanteessa WS-turbiini rasittuu vähemmmän kuin Savonius-turbiini, koska siihen ei kohdistu värähtelyjä aiheuttavia sysäyksiä kuten Savoniuksessa. . Lisäksi rakenne kestää muotonsa ansiosta suuriakin kuormituksia.. Erkki Haapanen

Slide 14

Potkurikäyttöiset tuulivoimalat Potkurikäyttöistä voimalaa kutsutaan myös vaaka-akseli-tyypiksi. Potkurin merkittävin etu on, että se peittää omaan pinta-alaansa verrattuna suuren alan, ja kykenee tuottamaan rakennepainoonsa nähden huomattavan paljon tehoa. Potkuri pyörii useimmiten pienehköllä nopeudella ja siksi generaattorin ja potkurin väliin tarvitaan useimmiten ylennysvaihde. Mitä suurempi potkuri on sitä pienempi on pyörimisnopeus, sillä potkurin kärkinopeus halutaan rajoittaa lähinn

Recommended
View more...