Hvorfor maksimerer man luftmotstanden til en vindturbin?

En leser lurer på hvorfor man maksimerer luftmotstanden ved å effektregulere vindturbingeneratoren, da det må stresse komponentene. Henrik Stiesdal svarer.

Hvorfor maksimerer man luftmotstanden til en vindturbin?
Ved lave vindhastigheter er det viktig å maksimere kraftproduksjonen fra en vindturbin. Dette gjør man ved å sørge for at den frie vinden bremses ganske mye når den passerer vindturbinrotoren. Illustrasjonsfoto: Colourbox

Leseren spør: Hvorfor maksimerer man luftmotstanden ved å effektregulere vindturbingeneratoren? Dette medfører et voldsomt trykk på vindturbinens komponenter ved orkan vind.

Ved å bruke formelen for vindens trykk på en overflate, har jeg estimert at det under en orkan oppstår aksialtrykk på +1000 kg/kvadratcentimeter på kontaktflatene til hovedlagrene.

Henrik Stiesdal, oppfinner og vindturbinpioner, svarer:
Faktisk maksimerer man ikke luftmotstanden til en vindturbin i sterk vind. Tvert imot.

Ved lave vindhastigheter er det viktig å maksimere kraftproduksjonen fra en vindturbin. Dette gjør man ved å sørge for at den frie vinden bremses ganske mye når den passerer vindturbinrotoren.

Man søker imidlertid ikke å maksimere luftmotstanden fullt ut slik at vinden bremses mest mulig, fordi det gir det helt praktiske problemet at luften ikke kommer seg vekk fra vindturbinen hvis den bremses ned til stillestående.

Bremser til 2/3 av hastigheten

I stedet er målet at vindhastigheten i rotorplanet skal bremses ned til 2/3 av hastigheten langt foran turbinen. Det betyr at vinden langt bak turbinen har en hastighet på 1/3 av fri hastighet.

Det var den tyske ingeniøren Albert Betz som for første gang gjennomførte en fyllestgjørende analyse av optimal bremsing av vinden i en vindturbinrotor. Han publiserte en artikkel om analysen i 1919, og konklusjonene fra den, som ble kalt «Betz' lov», står fortsatt, mer enn 100 år senere.

Når vindhastigheten blir høyere enn de 10-11 m/s der moderne vindturbiner når sin merkeeffekt, endres bildet. Ved høyere vindhastigheter øker den tilgjengelige effekten i vinden svært kraftig, og det handler ikke lenger om å maksimere kraftproduksjonen, men i stedet å fastholde ytelsen til merkeeffekten. Dette gjøres ved effektregulering, hvor bladene automatisk dreies litt på turbinnavet, slik at vindturbinen gir ønsket effekt.

Høy hastighet gir lavere trykk

Så snart man begynner å dreie bladene på turbinnavet synker vindtrykket, og jo høyere vindhastighet, jo lavere vindtrykk. Du har altså den litt paradoksale situasjonen at det laveste vindtrykket på rotoren oppstår ved den høyeste vindhastigheten du lar vindturbinen kjøre med, vanligvis 25 m/s.

Når det gjelder overflatetrykket på vindturbinens hovedlager, har det vært praksis i mange år at det vektede overflatetrykket mellom rull og slitebane (med hensyn til antall driftstimer og utmattingsegenskapene til lagermaterialet) skal ikke overstige 1500 MPa, dvs. 1500 N / mm2 eller i eldre enheter 15 000 kp / cm2.

Med dagens store vindturbiner og tilhørende store lager må man imidlertid ta hensyn til reduksjonsfaktorer som har å gjøre med det større volumet av materiale som påvirkes av det maksimale trykket, og derfor synker det tillatte vektede overflatetrykket gradvis til 1200 MPa, noen ganger ennå lavere.

Artikkelen ble først publisert av Ingeniøren.

Les også