Det finns många olika typer av vindturbiner och olika applikationer. Vi människor har fångat vindens energi sedan över 5000 år tillbaka! Generellt kan vindturbiner klassas i två olika ”familjer” HAWT – Horisontal Axis Wind Turbine samt VAWT – Vertical Axis Wind Turbine.
HAWT är de som har propelleraxeln monterat horisontellt såsom snabblöpare, väderkvarn och vindhjul till exempel . VAWT är de som har propelleraxeln monterat vertikalt såsom savonius, darrieus och giromill.
Turbinens huvuduppgift
Turbinen skall på ett effektivt sätt fånga vinden. Genom att fånga vinden börjar bladen att snurra och driver då propelleraxeln. Här tittar vi på olika turbiner, deras familjer och användningsområde
HAWT – Horisontal Axis Wind Turbine
Detta är den klassiska modellen med vindsnurra. Du har sett den på väderkvarnar och vindkraftverk. Den största skillnaden mellan dem är hur många propellerblad de har. HAWT är alltid monterade på höga byggnader och/eller höga master.
De olika formerna av HAWT är:
Snabblöparen
Den vanligast förekommande typen av vindkraftverk är snabblöparen, som kan ha från ett rotorblad och uppåt.
Ju färre blad, desto snabbare roterar den, men turbiner med ett eller två blad brukar ha balansproblem, därför använder man sällan färre än tre blad.
De första snabblöparna kom under 1930-talet, samtidigt som behov av elektricitet uppstod ute på landsbygden. För att uppnå tillräckligt varvtal för generatorn utnyttjade man sina nya kunskaper om aerodynamik och genom att låta rotorbladen likna flygplansvingar kunde man uppnå en hastighet för dessa som var 5-10 gånger vindhastigheten.
När landsbygden elektrifierades försvann dessa vindkraftverk från gårdarna. Två av de mest kända modellerna av dessa vindkraftverk var Windcharger och Excenter.
Ska man producera el, då är färre blad att föredra eftersom generatorer kräver högre varvtal Skall man pumpa vatten, då är det bättre med en långsam turbin med ett högt vridmoment.
De vindkraftverk som byggs idag, såväl stora som små är snabblöpare, oftast med tre blad. Turbiner med fler blad har ett högre vridmoment än de med färre blad, men det betyder inte att de är effektivare eftersom effekt är lika med vridmoment gånger hastighet.
Vindhjulet
Vindhjulen känner man igen från landsbygden i Usa och Australien där de långsamt roterar i vinden. Det är just sådana som lämpar sig för vattenpumpning samt även sågning. De har många tvärställda och lätt böjda blad och de var ett resultat av ingenjören Thomas Perry´s tester av 5000 olika rotorkonstruktioner. Perry fick till sist fram en rotor med dubbelt så hög verkningsgrad som tidigare modeller och det vindhjul med hans konstruktion som vi är vana att se dem.
Man kanske tror att vindhjulet inte används längre, men det lär finnas mer än en miljon vindhjul i drift än i dag. Dessa har normalt en rotordiameter på 2,5 meter, men under 1800-talet var de betydligt större än så. Ångloken behövde mycket vatten och man byggde därför vindhjul med en diameter upp till 18 meter. Nederländska Wikipedia har intressant info om vindhjulet
Väderkvarnen
Väderkvarnar användes oftast för att mala säd men även att såga timmer samt som vattenpumpar för bevattning.
De större väderkvarnarna var 20 – 30 meter höga och med en rotordiameter på 25-30 meter utvecklade de en effekt på 25-30 kW.
VAWT – Vertical Axis Wind Turbine
Det finns en större variation i modeller när det kommer till VATW. En av deras fördelar är att de kräver inte lika höga master när de installeras.
Savoniusrotorn
Savonius-rotor är en konstruktion som omvandlar rörelseenergin i en vind till vridning av en axel.
Den har fått sitt namn efter den finländske konstruktören Sigurd Savonius och uppfanns år 1924.
Man har bland annat testat att montera Savonius-rotorn på toppen av master för mobiltelefonnäten för att säkerställa elförsörjningen till dessa.
Savoniusrotorn har lägst verkningsgrad av alla typer av vindkraftverk, bara mellan 10-15 procent.
De är enkla att bygga och de används framförallt som batteriladdare, eller som startmotorer åt darrieusturbiner.
På engelska wikipedia kan du läsa mer om Savonius rotorer
Darrieusturbinen
Darrieusturbin [darjøʹ-], konstruerades 1925 och patenterades 1931 av fransmannen Georges Darrieus (1888–1979). Turbinen som liknar en visp kan inte starta själv och som startmotor till darrieusturbiner kan savoniusrororer användas.
När turbinen väl börjat snurra drivs den sedan av vinden.
Verkningsgraden för en darrieusturbin ligger strax över 30 procent och turbinens svepyta beräknas som A = 2/D3. Turbinens löptalsområde (tsr) ligger runt 6.
Kombinerad Darrieus Savinus turbin
Darrieus modellen kan inte starta av sig själv när det blåser. Därför används ofta Savinusturbinen för att ”sätta snurr” på det hela. Så här ser det ut i Taiwan. Notera storleken på dem!
Giromill
Bladen hos en giromill vrids så att bladvinkeln ändras under rotationen, men de måste riktas i förhållande till vindriktningen för att turbinen ska kunna starta.
Verkningsgraden hos en giromill ligger runt 40 procent och den är därmed den effektivaste typen av vindkraftverk näst snabblöparen.
Egentligen så är en Giromill inte mycket mer än en Darrieusturbin med bladen konfigurerade lite annorlunda.
Detta då Darrieus patent täcker många konfigurationer av bladet. I denna konfiguration är det en Giromill eller en H-bar beroende på vem som beskriver den.
Formel för vindeffekt
Lite överkurs, men för den som vill lära sig mer om hur blad designas, hur rotorn skall konstrueras eller hur vindkraft fungerar med matematiska formler så är detta en bra start
Wp = 0, 5*A*Cp*K3*p*Ws³
Exempel visar teoretisk medel effekt vid 5 m/s och en turbindiameter på 10 meter:
(med kubfaktor 1,9 som funktion av vindhastighet)
0,5×78,5×0,3×1,9×1,23×5³ ≈ 3440kW
Produktion per år: ca: 6500 tim/år ≈ 22 000 kW/h
Exempel visar teoretisk statisk effekt vid 5 m/s och en turbindiameter på 10 meter:
0,5×78,5×0,3×1,23×5³ ≈ 1810kW
Produktion per år: ca: 6500 tim/år ≈ 12 000 kW/h
Wp = effekt i vinden
A = turbinens area
Cp = Effektkoefficient (normalt 0,3-0,4)
K3 = kubfaktor (1,9)
P = luftens densitet (1,22–1,24)
W³ = vindhastighet³
Beräkna area på snabblöpare
Arean = pi * radien² = Arean på en snabblöpare
Exempel en trebladig snabblöpare med 4 meters turbinblad 3,14 x 4² ≈ 50 m²
Mantelarean = 2 * pi * radien * höjden Arean på en vertikalmaskin
Exempel en vertikal maskin med diametern 4 m och höjden 4 m 2 x 3,14 x 2 x 4 ≈ 50 m²
Vid lika stor area, är det trots allt bara ca: 1/3 eller ca: 16 m² av rotorns totala area som tar upp effekt från den fritt strömmande luftens energi hos ett vertikal verk, jämfört med ett trebladig propeller verk av samma storlek.
Att den teoretiskt maximala effekt som kan utvinnas med hjälp av en rotor i ett vindkraftverk är 16/27 eller approximativt 0,59 av effekten hos den fritt strömmande luften strax framför rotorn brukar betecknas som Betz lag.
I själva verket kan maximalt endast ca 45% av effekten hos den genomströmmande luften utnyttjas beroende dels på rotorns verkningsgrad och dels på övriga komponenters verkningsgrader (vanligen växellåda och generator). I praktiken brukar endast ca 35% utnyttjas. Den här artikeln är hämtad från http://sv.wikipedia.org/wiki/Betz_lag